Тогтвортой технологи нэвтрүүлэх: түлшний эсүүд. түлшний эсүүд

Түлшний эс/эсийн ашиг тус

мазут/ cell нь устөрөгчөөр баялаг түлшнээс цахилгаан химийн урвалаар шууд гүйдэл, дулааныг үр ашигтайгаар үүсгэдэг төхөөрөмж юм.

Түлшний эс нь химийн урвалаар шууд гүйдэл үүсгэдэг батерейтай төстэй. Түлшний эсэд анод, катод, электролит орно. Гэсэн хэдий ч батерейгаас ялгаатай нь түлшний эсүүд / эсүүд хадгалах боломжгүй цахилгаан эрчим хүч, цэнэглэж болохгүй, цэнэглэхэд цахилгаан шаардлагагүй. Түлшний эсүүд/эсүүд нь түлш, агаарын нөөцтэй л бол тасралтгүй цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх боломжтой.

Мотор гэх мэт бусад цахилгаан үүсгүүрүүдээс ялгаатай дотоод шаталтэсвэл хий, нүүрс, газрын тос зэрэг дээр ажилладаг турбинууд, түлшний эсүүд/эсүүд түлш шатаахгүй. Энэ нь дуу чимээ ихтэй өндөр даралтын ротор, чанга яндангийн дуу чимээ, чичиргээ байхгүй гэсэн үг юм. Түлшний эсүүд нь чимээгүй цахилгаан химийн урвалаар цахилгаан үүсгэдэг. Түлшний эс/эсийн өөр нэг онцлог нь түлшний химийн энергийг шууд цахилгаан, дулаан, ус болгон хувиргадаг явдал юм.

Түлшний эсүүд нь өндөр үр ашигтай бөгөөд нүүрстөрөгчийн давхар исэл, метан, азотын исэл зэрэг хүлэмжийн хийг их хэмжээгээр үүсгэдэггүй. Ашиглалтын явцад ялгардаг цорын ганц бүтээгдэхүүн нь ус, бага хэмжээний нүүрстөрөгчийн давхар исэл бөгөөд цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашигладаг бол огт ялгардаггүй. Түлшний эсүүд / эсүүд нь угсралт, дараа нь бие даасан функциональ модулиудад угсардаг.

Түлшний эс/эсийн хөгжлийн түүх

1950, 1960-аад оны үед түлшний эсийн хамгийн том сорилтуудын нэг нь АНУ-ын Үндэсний Аэронавтик, Сансрын Удирдлагын (НАСА) урт хугацааны сансрын нислэгийн эрчим хүчний эх үүсвэрийн хэрэгцээ шаардлагаас үүдэлтэй байв. НАСА-гийн шүлтлэг түлшний эс/эс нь устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг түлш болгон ашигладаг бөгөөд энэ хоёрыг цахилгаан химийн урвалд нэгтгэдэг. Гаралт нь сансрын нислэгт ашигтай урвалын гурван дайвар бүтээгдэхүүн болох сансрын хөлгийг тэжээх цахилгаан, ундны болон хөргөлтийн системд зориулсан ус, сансрын нисэгчдийг дулаан байлгах дулаан юм.

Түлшний эсийн нээлт 19-р зууны эхэн үеэс эхэлсэн. Түлшний эсийн нөлөөний анхны нотолгоог 1838 онд олж авсан.

1930-аад оны сүүлээр шүлтлэг түлшний эсүүд дээр ажиллаж эхэлсэн бөгөөд 1939 он гэхэд өндөр даралтын никель бүрсэн электродуудыг ашигладаг эсийг бүтээжээ. Дэлхийн 2-р дайны үед Британийн Тэнгисийн цэргийн шумбагч онгоцонд зориулсан түлшний эсүүд / эсүүд бүтээгдсэн бөгөөд 1958 онд 25 см-ээс илүү диаметртэй шүлтлэг түлшний эсүүд / эсүүдээс бүрдсэн түлшний угсралтыг нэвтрүүлсэн.

1950, 1960-аад онд, мөн 1980-аад онд сонирхол нэмэгдсэн. аж үйлдвэрийн ертөнцнефтийн түлшний хомсдолд орсон. Мөн тэр үед дэлхийн улс орнууд ч агаарын бохирдлын асуудалд санаа зовж, байгаль орчинд ээлтэй цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх арга замыг авч үзсэн. Одоогийн байдлаар түлшний эс/эсийн технологи эрчимтэй хөгжиж байна.

Түлшний эсүүд / эсүүд хэрхэн ажилладаг

Түлшний эсүүд/эсүүд нь электролит, катод, анод ашиглан үргэлжилж буй электрохимийн урвалаар цахилгаан, дулааныг үүсгэдэг.

Анодын катализатор дээр молекулын устөрөгч нь электроныг задалж, алддаг. Устөрөгчийн ионууд (протонууд) нь электролитээр дамжин катод руу дамждаг бол электронууд нь электролитээр дамжиж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамждаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглаж болох шууд гүйдэл үүсгэдэг. Катодын катализатор дээр хүчилтөрөгчийн молекул нь электрон (гадаад харилцаа холбоогоор хангадаг) болон ирж буй протонтой нэгдэж, цорын ганц урвалын бүтээгдэхүүн (уур ба / эсвэл шингэн хэлбэрээр) ус үүсгэдэг.

Харгалзах хариу урвалыг доор харуулав.

Анодын урвал: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Ерөнхий элементийн урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Түлшний эс/эсийн төрөл ба төрөл зүйл

Өөр өөр төрлийн дотоод шаталтат хөдөлгүүртэй адил түлшний эсүүд өөр өөр байдаг - сонголт тохиромжтой төрөлтүлшний эс нь түүний хэрэглээнээс хамаарна.

Түлшний эсүүд нь өндөр температур, бага температурт хуваагддаг. Бага температурт түлшний эсүүд нь харьцангуй цэвэр устөрөгчийг түлш болгон шаарддаг. Энэ нь ихэвчлэн анхдагч түлшийг (байгалийн хий гэх мэт) цэвэр устөрөгч болгон хувиргахын тулд түлш боловсруулах шаардлагатай гэсэн үг юм. Энэ процесс нь нэмэлт эрчим хүч зарцуулж, тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаг. Өндөр температурт түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшийг "дотоод хувиргах" чадвартай тул устөрөгчийн дэд бүтцэд хөрөнгө оруулах шаардлагагүй гэсэн үг юм.

Хайлсан карбонат дээрх түлшний эсүүд (MCFC)

Хайлсан карбонат электролитийн түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын өндөр температур нь түлшний процессоргүй, бага илчлэг түлшний хийгүйгээр байгалийн хийг шууд ашиглах боломжийг олгодог үйлдвэрлэлийн үйл явцболон бусад эх сурвалжаас.

RCFC-ийн ажиллагаа нь бусад түлшний эсүүдээс ялгаатай. Эдгээр эсүүд нь хайлсан карбонатын давсны холимогоос электролитийг ашигладаг. Одоогийн байдлаар литийн карбонат ба калийн карбонат эсвэл литийн карбонат, натрийн карбонат гэсэн хоёр төрлийн хольцыг ашиглаж байна. Карбонатын давсыг хайлуулж, хүрэх өндөр зэрэгтэйэлектролит дэх ионуудын хөдөлгөөн, хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсүүд өндөр температурт (650 ° C) ажилладаг. Үр ашиг нь 60-80% хооронд хэлбэлздэг.

650°С хүртэл халаахад давс нь карбонатын ионуудын дамжуулагч болдог (CO 3 2-). Эдгээр ионууд нь катодоос анод руу шилжиж устөрөгчтэй нийлж ус, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, чөлөөт электрон үүсгэдэг. Эдгээр электронууд нь гадны цахилгаан хэлхээгээр буцаж катод руу илгээгдэж, цахилгаан гүйдэл, дулааныг дагалдах бүтээгдэхүүн болгон үүсгэдэг.

Анодын урвал: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катод дахь урвал: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ерөнхий элементийн урвал: H 2 (g) + 1/2O 2 (г) + CO 2 (катод) => H 2 O (г) + CO 2 (анод)

Хайлсан карбонатын электролитийн түлшний эсийн өндөр температур нь тодорхой давуу талтай байдаг. Өндөр температурт байгалийн хий нь дотооддоо шинэчлэгдэж, түлшний процессор шаардлагагүй болно. Нэмж дурдахад, давуу тал нь электрод дээр зэвэрдэггүй ган хуудас, никель катализатор зэрэг барилгын стандарт материалыг ашиглах боломжийг агуулдаг. Хаягдал дулааныг янз бүрийн үйлдвэр, худалдааны зориулалтаар өндөр даралтын уур үүсгэхэд ашиглаж болно.

Электролит дахь урвалын өндөр температур нь бас давуу талтай. Өндөр температурыг ашиглах нь үйл ажиллагааны оновчтой нөхцөлд хүрэхийн тулд удаан хугацаа шаарддаг бөгөөд систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд илүү удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Эдгээр шинж чанарууд нь хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсийн системийг тогтмол эрчим хүчний нөхцөлд ашиглах боломжийг олгодог. Өндөр температур нь нүүрстөрөгчийн дутуу ислээр түлшний эсийг гэмтээхээс сэргийлдэг.

Хайлсан карбонат түлшний эсүүд нь том суурин суурилуулалтанд ашиглахад тохиромжтой. 3.0 МВт хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 110 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.

Фосфорын хүчил (PFC) дээр суурилсан түлшний эсүүд

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд нь арилжааны зориулалттай анхны түлшний эсүүд байв.

Фосфорын (ортофосфорын) хүчил дээр суурилсан түлшний эсүүд нь 100% хүртэл концентрацитай ортофосфорын хүчил (H 3 PO 4) дээр суурилсан электролитийг ашигладаг. Фосфорын хүчлийн ионы дамжуулалт бага температурт бага байдаг тул эдгээр түлшний эсийг 150-220 ° C хүртэл температурт ашигладаг.

Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь устөрөгч (H+, протон) юм. Үүнтэй төстэй процесс нь протон солилцооны мембраны түлшний эсүүдэд тохиолддог бөгөөд анод руу нийлүүлсэн устөрөгч нь протон ба электронуудад хуваагддаг. Протонууд электролитээр дамжин катодын агаараас хүчилтөрөгчтэй нийлж ус үүсгэдэг. Электронууд нь гадаад цахилгаан хэлхээний дагуу чиглэгдэж, цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Цахилгаан ба дулааныг үүсгэдэг урвалуудыг доор харуулав.

Анод дахь урвал: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Ерөнхий элементийн урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсийн үр ашиг нь цахилгаан эрчим хүч үүсгэх үед 40% -иас дээш байдаг. Дулаан, цахилгааны хосолсон үйлдвэрлэлд нийт үр ашиг нь 85% орчим байдаг. Үүнээс гадна, ашиглалтын температурыг харгалзан хаягдал дулааныг агаар мандлын даралтаар ус халааж, уур үүсгэхэд ашиглаж болно.

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд дээр дулааны цахилгаан станцууд нь дулаан, цахилгаан хосолсон үйлдвэрлэлд өндөр үзүүлэлттэй байдаг нь энэ төрлийн түлшний эсийн нэг давуу тал юм. Уг үйлдвэрүүд нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг ойролцоогоор 1.5% -ийн концентрацид ашигладаг бөгөөд энэ нь түлшний сонголтыг ихээхэн өргөжүүлдэг. Үүнээс гадна CO 2 нь электролит болон түлшний эсийн үйл ажиллагаанд нөлөөлдөггүй, энэ төрлийн эсүүд нь шинэчлэгдсэн байгалийн түлшээр ажилладаг. Энгийн загвар, электролитийн дэгдэмхий чанар бага, тогтвортой байдал нэмэгдсэн нь энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал юм.

500 кВт хүртэл хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 11 МВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалтууд холбогдох туршилтыг давсан. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.

Хатуу исэл түлшний эсүүд/эсүүд (SOFC)

Хатуу исэл түлшний эсүүд нь хамгийн өндөр ажиллах температуртай түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын температур нь 600 ° C-аас 1000 ° C-ийн хооронд хэлбэлзэж болох бөгөөд энэ нь янз бүрийн төрлийн түлшийг тусгай урьдчилсан боловсруулалтгүйгээр ашиглах боломжийг олгодог. Эдгээр өндөр температурыг зохицуулахын тулд электролит нь нимгэн керамик суурьтай хатуу металлын исэл, ихэвчлэн хүчилтөрөгч (O 2-) ионыг дамжуулагч иттри ба цирконы хайлш юм.

Хатуу электролит нь нэг электродоос нөгөөд шилжих шилжилтийг хангадаг бол шингэн электролит нь сүвэрхэг субстрат дотор байрладаг. Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь хүчилтөрөгчийн ион (O 2-) юм. Катодын үед хүчилтөрөгчийн молекулууд агаараас хүчилтөрөгчийн ион ба дөрвөн электрон болж хуваагддаг. Хүчилтөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин устөрөгчтэй нийлж дөрвөн чөлөөт электрон үүсгэдэг. Электронууд нь гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжуулж, цахилгаан гүйдэл, хаягдал дулааныг үүсгэдэг.

Анод дахь урвал: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Ерөнхий элементийн урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Үйлдвэрлэсэн цахилгаан эрчим хүчний үр ашиг нь бүх түлшний эсүүдээс хамгийн өндөр буюу 60-70% байдаг. Ашиглалтын өндөр температур нь өндөр даралтын уур үүсгэхийн тулд дулаан, эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Өндөр температурт түлшний элементийг турбинтай хослуулснаар эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашгийг 75% хүртэл нэмэгдүүлэхийн тулд эрлийз түлшний эсийг бий болгодог.

Хатуу исэл түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт (600°C-1000°C) ажилладаг бөгөөд үүний үр дүнд ашиглалтын оновчтой нөхцөлд удаан хугацаанд хүрч, систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Ашиглалтын ийм өндөр температурт түлшнээс устөрөгчийг гаргаж авахын тулд ямар ч хувиргагч шаардлагагүй бөгөөд дулааны цахилгаан станцыг нүүрс хийжүүлэх эсвэл хаягдал хий гэх мэт харьцангуй бохир түлшээр ажиллуулах боломжийг олгодог. Түүнчлэн энэхүү түлшний эс нь үйлдвэрлэлийн болон томоохон төв цахилгаан станцуудыг багтаасан өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд тохиромжтой. 100 кВт-ын гаралтын цахилгаан эрчим хүч бүхий үйлдвэрлэлийн модулиуд.

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсүүд (DOMTE)

Метанолыг шууд исэлдүүлэх түлшний эсийг ашиглах технологи идэвхтэй хөгжиж байна. Энэ нь гар утас, зөөврийн компьютер, зөөврийн эрчим хүчний эх үүсвэрийг бий болгох чиглэлээр амжилттай ажиллаж байна. Эдгээр элементүүдийн ирээдүйн хэрэглээ юунд чиглэж байна.

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсийн бүтэц нь протон солилцооны мембран (MOFEC) бүхий түлшний эсүүдтэй төстэй, i.e. полимерийг электролит болгон, устөрөгчийн ионыг (протон) цэнэг зөөгч болгон ашигладаг. Гэсэн хэдий ч шингэн метанол (CH 3 OH) нь анод дахь усны дэргэд исэлдэж, CO 2, устөрөгчийн ион ба электронуудыг ялгаруулж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр удирддаг бөгөөд цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Устөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин агаараас хүчилтөрөгч, гадаад хэлхээний электронуудтай урвалд орж анод дээр ус үүсгэдэг.

Анод дахь урвал: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Катод дахь урвал: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Ерөнхий элементийн урвал: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал нь шингэн түлшний хэрэглээ, хөрвүүлэгч ашиглах шаардлагагүйгээс шалтгаалан жижиг хэмжээтэй байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд (AFC)

Шүлтлэг түлшний эсүүд нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг хамгийн үр ашигтай элементүүдийн нэг бөгөөд эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашиг нь 70% хүртэл байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд нь электролит, өөрөөр хэлбэл сүвэрхэг, тогтворжсон матрицад агуулагдах калийн гидроксидын усан уусмалыг ашигладаг. Калийн гидроксидын концентраци нь түлшний эсийн ажиллах температураас хамаарч өөр өөр байж болно, энэ нь 65 ° C-аас 220 ° C хооронд хэлбэлздэг. SFC-ийн цэнэг зөөгч нь катодоос анод руу шилжиж устөрөгчтэй урвалд орж ус, электрон үүсгэдэг гидроксидын ион (OH-) юм. Анод дээр үүссэн ус дахин катод руу шилжиж, тэнд дахин гидроксидын ион үүсгэдэг. Түлшний эсэд явагдаж буй эдгээр цуврал урвалын үр дүнд цахилгаан үүсэж, дулааны дагалдах бүтээгдэхүүн болж:

Анод дахь урвал: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Системийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-ийн давуу тал нь эдгээр түлшний эсийг үйлдвэрлэхэд хамгийн хямд байдаг, учир нь электродуудад шаардлагатай катализатор нь бусад түлшний эсүүдэд катализатор болгон ашигладаг бодисуудаас хямд байдаг. SCFC нь харьцангуй бага температурт ажилладаг бөгөөд хамгийн үр ашигтай түлшний эсүүдийн нэг юм - ийм шинж чанар нь эрчим хүчийг хурдан үйлдвэрлэх, түлшний үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг.

SHTE-ийн нэг онцлог шинж чанар нь түлш эсвэл агаарт агуулагдах CO 2-д өндөр мэдрэмжтэй байдаг. CO 2 нь электролиттэй урвалд орж, түүнийг хурдан хордуулж, түлшний эсийн үр ашгийг ихээхэн бууруулдаг. Тиймээс SFC-ийн хэрэглээ нь сансрын болон усан доорх тээврийн хэрэгсэл гэх мэт хаалттай орон зайд хязгаарлагддаг тул цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч дээр ажиллах ёстой. Түүгээр ч зогсохгүй бусад түлшний эсүүдэд аюулгүй байдаг CO, H 2 O, CH4 зэрэг молекулууд нь SFC-д хортой нөлөө үзүүлдэг.

Полимер электролитийн түлшний эсүүд (PETE)

Полимер электролитийн түлшний эсийн хувьд полимер мембран нь усны молекулд холбогдсон усны ионуудын дамжуулалт (H 2 O + (протон, улаан)) байдаг усны бүс бүхий полимер утаснаас бүрдэнэ. Усны молекулууд ионы солилцоо удаашралтай тул асуудал үүсгэдэг. Тиймээс түлшний болон яндангийн электродуудын аль алинд нь усны өндөр агууламж шаардагдах бөгөөд энэ нь ажлын температурыг 100 ° C хүртэл хязгаарладаг.

Хатуу хүчил түлшний эсүүд (SCFC)

Хатуу хүчлийн түлшний эсүүдэд электролит (CsHSO 4) нь ус агуулдаггүй. Тиймээс ажлын температур 100-300 ° C байна. SO 4 2- окси анионуудын эргэлт нь протонуудыг (улаан) зурагт үзүүлсэн шиг хөдөлгөх боломжийг олгодог. Ерөнхийдөө хатуу хүчиллэг түлшний эс нь хатуу хүчиллэг нэгдлийн маш нимгэн давхаргыг хоёр нягт шахсан электродын хооронд хавчуулж, сайн холбоо барихыг баталгаажуулдаг сэндвич юм. Халах үед органик бүрэлдэхүүн хэсэг нь ууршиж, электродуудын нүх сүвээр дамжин түлш (эсвэл эсийн нөгөө төгсгөлд хүчилтөрөгч), электролит ба электродуудын хооронд олон тооны холбоо барих чадварыг хадгалдаг.

Төрөл бүрийн түлшний эсийн модулиуд. түлшний эсийн зай

Түлшний эсийн зай
Бусад өндөр температурт тоног төхөөрөмж (нэгдсэн уурын генератор, шатаах камер, дулааны балансын тохируулагч)
Халуунд тэсвэртэй тусгаарлагч

түлшний эсийн модуль

Түлшний эсийн төрөл, сортын харьцуулсан шинжилгээ

Шинэлэг эрчим хүчний хэмнэлттэй хотын дулааны цахилгаан станцууд нь ихэвчлэн хатуу исэлдлийн түлшний эсүүд (SOFCs), полимер электролитийн түлшний эсүүд (PEFCs), фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд (PCFCs), протон солилцооны мембран түлшний эсүүд (MPFCs) болон шүлтлэг түлшний эсүүд дээр баригддаг. APFCs). Тэд ихэвчлэн дараахь шинж чанартай байдаг.

Хатуу исэл түлшний эсийг (SOFC) хамгийн тохиромжтой гэж хүлээн зөвшөөрөх ёстой бөгөөд үүнд:

өндөр температурт ажилладаг бөгөөд энэ нь үнэтэй үнэт металлын хэрэгцээг бууруулдаг (цагаан алт гэх мэт)
төрөл бүрийн нүүрсустөрөгчийн түлш, гол төлөв байгалийн хий дээр ажиллах боломжтой
байна илүү цаг хугацааэхэлж байгаа тул урт хугацааны хувьд илүү тохиромжтой
эрчим хүч үйлдвэрлэх өндөр үр ашгийг харуулах (70% хүртэл)
Ашиглалтын өндөр температурын улмаас уг төхөөрөмжийг дулааны нөхөн сэргээх системтэй хослуулж, системийн нийт үр ашгийг 85% хүртэл нэмэгдүүлэх боломжтой.
Одоо байгаа эрчим хүч үйлдвэрлэх технологитой харьцуулахад утаагүй, чимээгүй ажилладаг, ашиглалтын шаардлага багатай

Түлшний эсийн төрөл	Ажлын температур	Эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашиг	Шатахууны төрөл	Хэрэглээний талбар
РКТЭ	550-700 ° C	50-70%		Дунд болон том хэмжээний суурилуулалт
FKTE	100-220 ° C	35-40%	цэвэр устөрөгч	Том хэмжээний суурилуулалт
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	Ихэнх нүүрсустөрөгчийн түлш	Жижиг, дунд, том суурилуулалт
POMTE	20-90 ° C	20-30%	метанол	зөөврийн
SHTE	50-200 ° C	40-70%	цэвэр устөрөгч	сансрын судалгаа
ПИТ	30-100 ° C	35-50%	цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт

Жижиг дулааны цахилгаан станцууд нь ердийн хийн хангамжийн сүлжээнд холбогдох боломжтой тул түлшний эсүүд нь тусдаа устөрөгчийн хангамжийн системийг шаарддаггүй. Хатуу исэл түлшний эсүүд дээр суурилсан жижиг дулааны цахилгаан станцуудыг ашиглах үед үүссэн дулааныг ус халаах, агааржуулалтын агаарыг халаах дулаан солилцогчдод нэгтгэж, системийн нийт үр ашгийг нэмэгдүүлэх боломжтой. Энэ шинэлэг технологиӨндөр үнэтэй дэд бүтэц, нарийн төвөгтэй багаж хэрэгслийг нэгтгэх шаардлагагүйгээр эрчим хүч үр ашигтай үйлдвэрлэхэд хамгийн тохиромжтой.

Түлшний эс/эсийн хэрэглээ

Харилцаа холбооны системд түлшний эсийг ашиглах

Дэлхий даяар утасгүй холбооны систем хурдацтай тархаж, гар утасны технологийн нийгэм, эдийн засгийн үр өгөөж нэмэгдэж байгаа энэ үед найдвартай, хэмнэлттэй нөөц эрчим хүчний хэрэгцээ нэн чухал болоод байна. Цаг агаарын таагүй байдал, байгалийн гамшиг, хязгаарлагдмал хүчин чадал зэргээс шалтгаалан жилийн туршид сүлжээний алдагдал нь сүлжээний операторуудын байнгын сорилт болдог.

Уламжлалт харилцаа холбооны эрчим хүчний нөөцийн шийдлүүд нь богино хугацааны нөөц эрчим хүчийг хангах батерей (хавхлага зохицуулалттай хар тугалга-хүчлийн батерей) болон илүү урт нөөц хүчин чадалтай дизель болон пропан генераторуудыг агуулдаг. Батерей нь 1-2 цагийн нөөц эрчим хүчний харьцангуй хямд эх үүсвэр юм. Гэсэн хэдий ч батерейг хадгалахад үнэтэй, удаан хугацаагаар ашигласны дараа найдваргүй болж, температурт мэдрэмтгий, амь насанд аюултай тул удаан хугацаагаар нөөцлөхөд тохиромжгүй. орчинустгасны дараа. Дизель болон пропан генераторууд нь тасралтгүй нөөц эрчим хүчээр хангах боломжтой. Гэсэн хэдий ч генераторууд найдваргүй, асар их засвар үйлчилгээ шаарддаг, агаар мандалд их хэмжээний бохирдуулагч бодис, хүлэмжийн хийг ялгаруулдаг.

Уламжлалт нөөц эрчим хүчний шийдлүүдийн хязгаарлалтыг арилгахын тулд ногоон түлшний эсийн шинэлэг технологийг боловсруулсан. Түлшний эсүүд нь найдвартай, дуу чимээ багатай, генераторыг бодвол цөөн хөдөлгөөнт эд анги агуулсан, -40°С-аас +50°С хүртэлх зайтай харьцуулахад илүү өргөн ажиллах температурын хүрээтэй бөгөөд үүний үр дүнд эрчим хүчний маш өндөр хэмнэлттэй байдаг. Үүнээс гадна ийм станцын ашиглалтын хугацаа нь генераторынхоос бага байдаг. Түлшний эсийн зардал багассан нь жилд нэг удаа засвар үйлчилгээ хийлгэж, үйлдвэрийн бүтээмж мэдэгдэхүйц нэмэгдсэний үр дүн юм. Эцсийн эцэст түлшний эс нь байгаль орчинд ээлтэй технологийн шийдэлбайгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл багатай.

Түлшний эсийн нэгжүүд нь утасгүй, байнгын болон чухал харилцаа холбооны сүлжээний дэд бүтцүүдийг нөөц эрчим хүчээр хангадаг өргөн зурвасынХарилцаа холбооны системд 250Вт-аас 15кВт хүртэлх хүчин чадалтай тэд олон давтагдашгүй шинэлэг боломжуудыг санал болгодог.

НАЙДВАРТАЙ БАЙДАЛ– Хөдөлгөөнт хэсэг цөөн, зогсолтгүй цэнэггүй
ЭРЧИМ ХҮЧ ХЭМНЭХ
ЧИМЭЭГҮЙ- дуу чимээ багатай
ТОГТВОРТОЙ БАЙДАЛ-40°С-аас +50°C хүртэл ажиллах хүрээ
Дасан зохицох чадвар- гадна болон дотор суурилуулах (контейнер/хамгаалалтын сав)
ӨНДӨР ХҮЧ- 15 кВт хүртэл
АРЧИЛГААНЫ ШААРДЛАГА БАГА- жилийн хамгийн бага засвар үйлчилгээ
ЭДИЙН ЗАСАГ- өмчлөх сонирхол татахуйц нийт өртөг
ЦЭВЭР ЭРЧИМ ХҮЧ– байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл багатай утаа багатай

Систем нь тогтмол гүйдлийн автобусны хүчдэлийг байнга мэдэрч, тогтмол гүйдлийн автобусны хүчдэл хэрэглэгчийн тодорхойлсон тогтоосон хэмжээнээс доогуур байвал чухал ачааллыг жигд хүлээн авдаг. Уг систем нь устөрөгчөөр ажилладаг бөгөөд түлшний эсийн яндан руу устөрөгчийн арилжааны эх үүсвэрээс эсвэл метанол, усны шингэн түлшээр дамжуулан самбар дээрх шинэчлэгч системийг ашиглан хоёр аргын аль нэгээр ордог.

Түлшний эсийн яндангаар цахилгаан эрчим хүчийг шууд гүйдэл хэлбэрээр үйлдвэрлэдэг. Тогтмол гүйдлийн хүчийг түлшний эсийн яндангийн зохицуулалтгүй тогтмол гүйдлийн хүчийг шаардлагатай ачаалалд зориулж өндөр чанарын зохицуулалттай тогтмол гүйдлийн хүч болгон хувиргадаг хөрвүүлэгч рүү илгээдэг. Түлшний эсийн суурилуулалт нь нөөцөд байгаа устөрөгч эсвэл метанол/усны түлшний хэмжээгээр хязгаарлагддаг тул олон өдрийн турш нөөц эрчим хүчээр хангах боломжтой.

Түлшний эсүүд нь үйлдвэрлэлийн стандарт хавхлагын зохицуулалттай хар тугалганы хүчлийн батерейтай харьцуулахад эрчим хүчний өндөр хэмнэлт, системийн найдвартай байдал, цаг уурын өргөн хүрээний нөхцөлд илүү урьдчилан таамаглах боломжтой гүйцэтгэл, найдвартай үйлчилгээний хугацааг санал болгодог. Засвар үйлчилгээ, солих шаардлага мэдэгдэхүйц бага тул амьдралын мөчлөгийн зардал бага байна. Түлшний эсүүд нь эцсийн хэрэглэгчдэд хүрээлэн буй орчны ашиг тусыг өгдөг тул хар тугалгын хүчлийн эсүүдтэй холбоотой хаягдал зардал, хариуцлагын эрсдэл улам бүр нэмэгдэж байна.

Цахилгаан батерейны гүйцэтгэлд цэнэгийн түвшин, температур, мөчлөг, ашиглалтын хугацаа болон бусад хувьсагч зэрэг олон хүчин зүйл сөргөөр нөлөөлдөг. Өгөгдсөн эрчим хүч нь эдгээр хүчин зүйлээс хамаарч өөр өөр байх бөгөөд урьдчилан таамаглахад тийм ч хялбар биш юм. Протон солилцооны мембран түлшний эсийн (PEMFC) гүйцэтгэл нь эдгээр хүчин зүйлээс харьцангуй хамаардаггүй бөгөөд түлш байгаа тохиолдолд чухал хүчийг хангаж чадна. Урьдчилан таамаглах чадварыг нэмэгдүүлэх нь чухал ач холбогдолтой нөөц тэжээлийн хэрэглээнд зориулж түлшний эсүүд рүү шилжихэд чухал ач холбогдолтой юм.

Түлшний эсүүд нь хийн турбин генератор шиг түлш нийлүүлэх үед л эрчим хүч үүсгэдэг боловч үйлдвэрлэлийн бүсэд хөдөлгөөнт хэсгүүд байдаггүй. Тиймээс генератороос ялгаатай нь тэдгээр нь хурдан элэгдэлд ордоггүй бөгөөд байнгын засвар үйлчилгээ, тосолгооны материал шаарддаггүй.

Өргөтгөсөн түлшний хөрвүүлэгчийг ажиллуулахад ашигладаг түлш нь метанол ба усны холимог юм. Метанол нь өргөн олдоцтой, худалдаанд үйлдвэрлэгдсэн түлш бөгөөд одоогоор салхины шил угаагч, хуванцар лонх, хөдөлгүүрийн нэмэлт, эмульсийн будаг. Метанол нь зөөвөрлөхөд хялбар, устай холилдох, био задралд сайн, хүхэр агуулаагүй. Энэ нь хөлдөх температур багатай (-71 ° C) бөгөөд удаан хадгалахад задардаггүй.

Харилцаа холбооны сүлжээнд түлшний эс / эсийг ашиглах

Аюулгүй байдлын сүлжээнүүд нь эрчим хүчний сүлжээ ажиллахгүй болсон тохиолдолд яаралтай тусламжийн үед хэдэн цаг эсвэл хэдэн өдрийн турш үргэлжлэх найдвартай нөөц эрчим хүчний шийдлүүдийг шаарддаг.

Хөдөлгөөнт хэсэг багатай, зогсолтын хүчийг бууруулаагүй тул түлшний эсийн шинэлэг технологи нь одоо байгаа нөөц тэжээлийн системтэй харьцуулахад сэтгэл татам шийдлийг санал болгож байна.

Харилцаа холбооны сүлжээнд түлшний эсийн технологийг ашиглах хамгийн чухал шалтгаан бол ерөнхий найдвартай байдал, аюулгүй байдлыг нэмэгдүүлэх явдал юм. Цахилгаан эрчим хүчний тасалдал, газар хөдлөлт, шуурга, хар салхи зэрэг үйл явдлын үед системүүд тасралтгүй ажиллаж, нөөц эрчим хүчний системийн температур, наснаас үл хамааран урт хугацааны туршид найдвартай нөөц эрчим хүчний хангамжтай байх нь чухал юм.

Түлшний эсийн тэжээлийн хангамжийн хүрээ нь аюулгүй харилцаа холбооны сүлжээг дэмжихэд тохиромжтой. Эрчим хүчний хэмнэлттэй дизайны зарчмуудын ачаар тэд 250 Вт-аас 15 кВт хүртэлх эрчим хүчний хүрээнд ашиглахад удаан хугацаагаар (хэдэн хоног хүртэл) байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай нөөц хүчийг өгдөг.

Мэдээллийн сүлжээнд түлшний эс/эсийг ашиглах

Өндөр хурдны мэдээллийн сүлжээ, шилэн кабель зэрэг мэдээллийн сүлжээг найдвартай эрчим хүчээр хангах нь дэлхий даяар чухал ач холбогдолтой юм. Ийм сүлжээгээр дамжуулж буй мэдээлэл нь банк, агаарын тээврийн компаниуд гэх мэт байгууллагуудад чухал ач холбогдолтой мэдээллийг агуулдаг эмнэлгийн төвүүд. Ийм сүлжээнд цахилгаан тасрах нь зөвхөн аюул учруулахгүй дамжуулсан мэдээлэл, гэхдээ бас дүрэм ёсоор санхүүгийн ихээхэн алдагдалд хүргэдэг. Бэлэн тэжээлээр хангадаг найдвартай, шинэлэг түлшний эсийн суурилуулалт нь эрчим хүчийг тасралтгүй хангахад шаардлагатай найдвартай байдлыг хангана.

Метанол ба усны шингэн түлшний холимог дээр ажилладаг түлшний эсийн нэгжүүд нь удаан хугацаагаар, хэдэн өдөр хүртэл найдвартай нөөц эрчим хүчний хангамжийг хангадаг. Нэмж дурдахад, эдгээр нэгжүүд нь генератор болон батерейтай харьцуулахад засвар үйлчилгээний шаардлагыг мэдэгдэхүйц бууруулж, жилд нэг удаа засвар үйлчилгээ хийх шаардлагатай болдог.

Мэдээллийн сүлжээнд түлшний эсийн суурилуулалтыг ашиглах ердийн хэрэглээний шинж чанарууд:

100 Вт-аас 15 кВт хүртэлх цахилгаан оролттой хэрэглээ
шаардлага бүхий програмууд зайны ашиглалт> 4 цаг
Шилэн кабелийн систем дэх давтагч (синхрон тоон системийн шатлал, өндөр хурдны интернет, IP дээр дуу хоолой ...)
Өндөр хурдны өгөгдөл дамжуулах сүлжээний зангилаа
WiMAX дамжуулах зангилаа

Түлшний эсийн бэлэн суурилуулалт нь уламжлалт батарей эсвэл дизель генераторуудаас чухал мэдээллийн сүлжээний дэд бүтцэд олон давуу талтай бөгөөд энэ нь газар дээр нь ашиглалтыг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог:

Шингэн түлшний технологи нь устөрөгчийн хуримтлалын асуудлыг шийдэж, бараг хязгааргүй нөөц хүчийг өгдөг.
Чимээгүй ажиллагаатай, жин багатай, хэт температурт тэсвэртэй, бараг чичиргээгүй ажилладаг тул түлшний эсийг гадаа, үйлдвэрийн байр/чингэнд эсвэл дээвэр дээр суурилуулах боломжтой.
Системийг ашиглах бэлтгэл ажлыг газар дээр нь хийх нь хурдан бөгөөд хэмнэлттэй бөгөөд ашиглалтын зардал бага байдаг.
Энэ түлш нь биологийн хувьд задрах чадвартай бөгөөд хотын орчинд байгаль орчинд ээлтэй шийдэл юм.

Түлшний эсүүд/эсүүдийг хамгаалалтын системд ашиглах

Хамгийн нарийн зохион бүтээсэн барилгын аюулгүй байдал, харилцаа холбооны систем нь зөвхөн тэднийг тэжээж байгаа хүч шиг найдвартай байдаг. Ихэнх системүүд нь богино хугацааны эрчим хүчний алдагдалд зориулж зарим төрлийн нөөц тасралтгүй эрчим хүчний системийг агуулдаг боловч тэдгээр нь байгалийн гамшиг, террорист халдлагын дараа гарч болох цахилгаан тасалдлыг удаан хугацаанд зогсоодоггүй. Энэ нь олон аж ахуйн нэгж, төрийн байгууллагуудын хувьд чухал асуудал байж болох юм.

CCTV хяналт, хандалтын хяналтын систем (иргэний үнэмлэх уншигч, хаалга хаах төхөөрөмж, биометрийн таних технологи гэх мэт), галын дохиолол, гал унтраах автомат систем, лифтийг хянах систем, харилцаа холбооны сүлжээ зэрэг амин чухал системүүд эрсдэлд орно. тасралтгүй цахилгаан хангамжийн найдвартай өөр эх үүсвэр.

Дизель генераторууд нь дуу чимээ ихтэй, байршлыг тогтооход хэцүү, найдвартай, найдвартай гэдгээрээ алдартай засвар үйлчилгээ. Үүний эсрэгээр, түлшний эсийн нөөц суурилуулалт нь чимээгүй, найдвартай, утаагүй эсвэл маш бага утаа ялгаруулдаг, дээвэр дээр эсвэл барилгын гадна суурилуулахад хялбар байдаг. Энэ нь зогсолтын горимд цэнэггүй, цэнэгээ алдахгүй. Энэ нь тухайн байгууллага үйл ажиллагаагаа зогсоож, хүмүүс барилгыг орхисон ч гэсэн чухал системүүдийн тасралтгүй ажиллагааг баталгаажуулдаг.

Түлшний эсийн шинэлэг суурилуулалт нь чухал хэрэглээнд үнэтэй хөрөнгө оруулалтыг хамгаалдаг. Эдгээр нь байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай нөөц хүчийг 250 Вт-аас 15 кВт-ын хүчин чадалд удаан хугацаагаар (олон хоног хүртэл) ашиглах боломжтой бөгөөд олон тооны давуу талтай, ялангуяа эрчим хүчний өндөр хэмнэлттэй хослуулсан.

Түлшний эсийн эрчим хүчний нөөцийн нэгжүүд нь уламжлалт батарей эсвэл дизель генератороос аюулгүй байдал, барилгын удирдлагын систем зэрэг чухал ач холбогдолтой хэрэглээнд олон давуу талыг санал болгодог. Шингэн түлшний технологи нь устөрөгчийн хуримтлалын асуудлыг шийдэж, бараг хязгааргүй нөөц хүчийг өгдөг.

Түлшний эс/эсийг ахуйн халаалт, эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглах

Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFCs) нь найдвартай, эрчим хүчний хэмнэлттэй, утаа ялгаруулахгүй дулааны цахилгаан станцуудыг барихад өргөн хэрэглэгддэг байгалийн хий, сэргээгдэх түлшний эх үүсвэрээс цахилгаан, дулаан үйлдвэрлэхэд ашиглагддаг. Эдгээр шинэлэг нэгжүүдийг дотоодын эрчим хүч үйлдвэрлэхээс эхлээд алслагдсан бүс нутгийг эрчим хүчээр хангах, түүнчлэн туслах эрчим хүчний эх үүсвэр зэрэг олон төрлийн зах зээлд ашигладаг.

Түгээх сүлжээнд түлшний эсүүд / эсүүдийг ашиглах

Бага оврын дулааны цахилгаан станцууд нь нэг төвлөрсөн цахилгаан станцын оронд олон тооны жижиг үүсгүүрийн иж бүрдэлээс бүрдсэн эрчим хүч үйлдвэрлэх түгээх сүлжээнд ажиллах зориулалттай.

Доорх зурагт цахилгаан эрчим хүчийг ДЦС-д үйлдвэрлэж, уламжлалт цахилгаан дамжуулах сүлжээгээр дамжуулан орон сууцанд дамжуулах үед эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашгийн алдагдлыг харуулав. Энэ мөч. Дүүргийн үйлдвэрлэлийн үр ашгийн алдагдалд цахилгаан станцын алдагдал, бага ба өндөр хүчдэлийн дамжуулалт, түгээлтийн алдагдал орно.

Зурагт жижиг дулааны цахилгаан станцуудыг нэгтгэсний үр дүнг харуулав: цахилгаан эрчим хүчийг ашиглалтын цэг дээр 60% хүртэл үйлдвэрлэх үр ашигтайгаар үйлдвэрлэдэг. Мөн айл өрхүүд түлшний элементээс үүссэн дулааныг ус, орон зайн халаалтанд ашиглах боломжтой бөгөөд энэ нь түлшний эрчим хүчний боловсруулалтын ерөнхий үр ашгийг нэмэгдүүлж, эрчим хүчний хэмнэлтийг сайжруулдаг.

Хүрээлэн буй орчныг хамгаалахын тулд түлшний эсийг ашиглах - Холбогдох газрын тосны хийн ашиглалт

Газрын тосны салбарын хамгийн чухал ажлуудын нэг бол холбогдох нефтийн хийг ашиглах явдал юм. Холбогдох нефтийн хийг ашиглах одоо байгаа аргууд нь маш олон сул талуудтай бөгөөд гол нь эдийн засгийн хувьд үр ашиггүй байдаг. Холбогдох нефтийн хийг шатааж, байгаль орчин, хүний эрүүл мэндэд ихээхэн хор хөнөөл учруулдаг.

Холбогдох нефтийн хийг түлш болгон ашигладаг шинэлэг түлшний эсийн дулаан, цахилгаан станцууд нь холбогдох нефтийн хийг ашиглах асуудлыг эрс, хэмнэлттэй шийдвэрлэх замыг нээж байна.

Түлшний эсийн суурилуулалтын гол давуу талуудын нэг нь тэдгээр нь холбогдох дээр найдвартай, тогтвортой ажиллах чадвартай байдаг нефтийн хийхувьсах найрлага. Түлшний элементийн үйл ажиллагааны үндэс болох галгүй химийн урвалын улмаас, жишээлбэл, метаны эзлэх хувь буурах нь зөвхөн эрчим хүчний гарцыг зохих хэмжээгээр бууруулахад хүргэдэг.
Хэрэглэгчдийн цахилгаан ачаалал, дифференциал, ачааллын өсөлттэй холбоотой уян хатан байдал.
Дулааны цахилгаан станцыг түлшний эсүүд дээр суурилуулах, холбохын тулд тэдгээрийг хэрэгжүүлэхэд хөрөнгө оруулалтын зардал шаардагдахгүй, учир нь Уг нэгжүүд нь талбайн ойролцоох бэлтгэлгүй газруудад амархан суурилуулагддаг, ажиллахад хялбар, найдвартай, үр ашигтай байдаг.
Өндөр автоматжуулалт, орчин үеийн алсын удирдлага нь үйлдвэрт байнгын боловсон хүчин байхыг шаарддаггүй.
Загварын энгийн байдал, техникийн төгс байдал: хөдөлгөөнт эд анги, үрэлт, тосолгооны систем байхгүй нь түлшний эсийн суурилуулалтаас ихээхэн хэмжээний эдийн засгийн үр ашгийг өгдөг.
Усны хэрэглээ: орчны температур +30 ° C хүртэл байхгүй, өндөр температурт үл тоомсорлодог.
Усны гарц: байхгүй.
Түүнчлэн түлшний эсийн дулааны цахилгаан станцууд нь дуу чимээ гаргахгүй, чичиргээгүй, агаар мандалд хортой бодис ялгаруулж болохгүй

Тэдгээрийг АНУ-ын Үндэсний Аэронавтик, Сансар судлалын удирдлагын (НАСА) сансрын хөлгүүд удирддаг. Тэд Омаха дахь Үндэсний нэгдүгээр банкны компьютеруудыг эрчим хүчээр хангадаг. Тэдгээрийг Чикаго хотын нийтийн тээврийн зарим автобусанд ашигладаг.

Эдгээр нь бүгд түлшний эсүүд юм. Түлшний эсүүд нь батерей шиг химийн аргаар шаталтын процессгүйгээр цахилгаан үүсгэдэг цахилгаан химийн төхөөрөмж юм. Ганц ялгаа нь тэд бусад химийн бодис, устөрөгч, хүчилтөрөгчийг ашигладаг бөгөөд химийн урвалын бүтээгдэхүүн нь ус юм. Байгалийн хийг бас ашиглаж болох ч нүүрсустөрөгчийн түлш хэрэглэх үед нүүрстөрөгчийн давхар ислийн ялгаралт тодорхой хэмжээнд байх нь гарцаагүй.

Түлшний эсүүд нь өндөр үр ашигтай, хортой ялгаруулалтгүй ажиллах чадвартай тул хүлэмжийн хий болон бусад бохирдуулагч бодисын ялгарлыг бууруулахад туслах тогтвортой эрчим хүчний эх үүсвэр болно. Түлшний эсийг өргөнөөр ашиглахад тулгарч буй гол бэрхшээл нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэдэг эсвэл хөдөлгүүртэй тээврийн хэрэгсэлтэй харьцуулахад өндөр өртөгтэй байдаг.

Хөгжлийн түүх

Анхны түлшний эсийг 1839 онд Сэр Уильям Гроувз үзүүлжээ. Гровс цахилгаан гүйдлийн нөлөөн дор усыг устөрөгч, хүчилтөрөгч болгон хуваах электролизийн үйл явц нь буцаах боломжтой гэдгийг харуулсан. Өөрөөр хэлбэл, устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг химийн аргаар нэгтгэж, цахилгаан үүсгэдэг.

Үүнийг харуулсаны дараа олон эрдэмтэд түлшний эсийг хичээнгүйлэн судлахаар яаравчлан яаравчлан зүтгэж байсан боловч арван есдүгээр зууны хоёрдугаар хагаст дотоод шаталтат хөдөлгүүр зохион бүтээж, газрын тосны нөөцийг олборлох дэд бүтцийг хөгжүүлснээр түлшний эсийн хөгжлийг хол орхижээ. Түлшний эсийн хөгжлийг илүү хязгаарласан нь тэдний өндөр өртөг юм.

Түлшний эсийн хөгжилд 1950-иад онд НАСА сансрын нислэгт зориулсан авсаархан цахилгаан үүсгүүр шаардлагатай болсонтой холбогдуулан тэдэн рүү хандсан үед гарсан. Тохиромжтой хөрөнгө оруулалт хийгдсэн бөгөөд үүний үр дүнд Аполло, Gemini-ийн нислэгүүд түлшний эсүүд дээр хийгдсэн. Сансрын хөлөг мөн түлшний эсүүд дээр ажилладаг.

Түлшний эсүүд үндсэндээ хэвээр байна туршилтын технологи, гэхдээ аль хэдийн хэд хэдэн компаниуд тэдгээрийг арилжааны зах зээл дээр зардаг. Зөвхөн сүүлийн арав орчим жилийн хугацаанд арилжааны түлшний эсийн технологид ихээхэн ахиц дэвшил гарсан.

Түлшний эс хэрхэн ажилладаг

Түлшний эсүүд нь батерейтай адил бөгөөд химийн урвалаар цахилгаан үүсгэдэг. Үүний эсрэгээр дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд түлш шатааж, улмаар дулааныг үүсгэдэг бөгөөд дараа нь механик энерги болж хувирдаг. Яндангийн хийн дулааныг ямар нэгэн байдлаар (жишээлбэл, халаалт эсвэл агааржуулагч) ашиглахгүй бол дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашиг харьцангуй бага гэж хэлж болно. Жишээлбэл, одоо боловсруулж байгаа төсөл болох тээврийн хэрэгсэлд ашиглах үед түлшний эсийн үр ашиг нь өнөөгийн автомашинд ашигладаг ердийн бензин хөдөлгүүрээс хоёр дахин илүү үр ашигтай байх төлөвтэй байна.

Хэдийгээр зай болон түлшний эсүүд хоёулаа химийн аргаар цахилгаан үүсгэдэг ч тэс өөр хоёр үүргийг гүйцэтгэдэг. Батерейнууд нь эрчим хүчний төхөөрөмжүүдийг хадгалдаг: тэдгээрийн үүсгэсэн цахилгаан нь тэдгээрийн дотор байгаа бодисын химийн урвалын үр дүн юм. Түлшний эсүүд нь эрчим хүчийг хуримтлуулдаггүй боловч гаднаас нийлүүлдэг түлшний зарим энергийг цахилгаан болгон хувиргадаг. Энэ утгаараа түлшний эс нь ердийн цахилгаан станцтай адил юм.

Хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд байдаг. Хамгийн энгийн түлшний эс нь электролит гэж нэрлэгддэг тусгай мембранаас бүрдэнэ. Нунтаг электродууд нь мембраны хоёр талд байрладаг. Энэхүү загвар - хоёр электродоор хүрээлэгдсэн электролит нь тусдаа элемент юм. Устөрөгч нь нэг тал руу (анод), хүчилтөрөгч (агаар) нөгөө тал руу (катод) урсдаг. Электрод бүр өөр өөр химийн урвалтай байдаг.

Анод дээр устөрөгч нь протон ба электронуудын холимог болж задардаг. Зарим түлшний эсүүдэд электродууд нь ихэвчлэн цагаан алт эсвэл бусад үнэт металлаар хийгдсэн катализатороор хүрээлэгдсэн байдаг бөгөөд энэ нь диссоциацийн урвалыг дэмждэг.

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = хоёр атомт устөрөгчийн молекул, хэлбэр, д

устөрөгч нь хий хэлбэрээр байдаг;

H+ = ионжуулсан устөрөгч, өөрөөр хэлбэл. протон;

e- = электрон.

Түлшний эсийн үйл ажиллагаа нь электролит нь протоныг өөрөөсөө (катод руу) дамжуулдаг боловч электронууд дамжуулдаггүй. Электронууд нь гаднах дамжуулагч хэлхээний дагуу катод руу шилждэг. Электронуудын энэ хөдөлгөөн нь цахилгаан мотор эсвэл гэрлийн чийдэн зэрэг түлшний эсэд холбогдсон гадны төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглаж болох цахилгаан гүйдэл юм. Энэ төхөөрөмжийг ихэвчлэн "ачаалал" гэж нэрлэдэг.

Түлшний эсийн катодын тал дээр протон (электролитоор дамжсан) ба электронууд (гадаад ачааллыг дамжсан) "дахин нэгдэж" катод руу нийлүүлсэн хүчилтөрөгчтэй урвалд орж ус, H2O үүсгэдэг.

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Түлшний эсийн ерөнхий урвалыг дараах байдлаар бичнэ.

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Тэдний ажилд түлшний эсүүд устөрөгчийн түлш, агаараас хүчилтөрөгч хэрэглэдэг. Устөрөгчийг шууд эсвэл байгалийн хий, бензин, метанол гэх мэт гадны түлшний эх үүсвэрээс салгах замаар нийлүүлж болно. Гадны эх үүсвэрийн хувьд устөрөгчийг гаргаж авахын тулд химийн хувиргах ёстой. Энэ үйл явцыг "шинэчлэлийн" гэж нэрлэдэг. Устөрөгчийг аммиакаас, хотын хогийн цэгээс хий, хий цэвэрлэх байгууламжаас авах боломжтой. Бохир ус, түүнчлэн усыг электролиз хийх замаар устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задлахад цахилгаан хэрэглэдэг. Одоогийн байдлаар тээвэрлэлтэд ашигладаг түлшний эсийн технологийн ихэнх нь метанолыг ашигладаг.

Түлшний эсүүдэд устөрөгч үйлдвэрлэхийн тулд түлшийг шинэчлэх янз бүрийн арга хэрэгслийг боловсруулсан. АНУ-ын Эрчим хүчний яам өөрөө агуулах түлшний эсийг устөрөгчөөр хангахын тулд бензин шинэчлэгч дотор түлшний үйлдвэрийг бүтээжээ. АНУ-ын Номхон далайн баруун хойд үндэсний лабораторийн судлаачид эрчим хүчний багцын аравны нэг хэмжээтэй авсаархан түлшний шинэчлэгчийг үзүүлжээ. АНУ-ын баруун хойд эрчим хүчний систем, Сандиа үндэсний лаборатори дизель түлшийг түлшний эсүүдэд устөрөгч болгон хувиргадаг түлшний шинэчлэгчийг үзүүлжээ.

Түлшний эсүүд тус бүрдээ 0.7-1.0 вольт үүсгэдэг. Хүчдэлийг нэмэгдүүлэхийн тулд элементүүдийг "каскад" болгон угсардаг, өөрөөр хэлбэл. цуваа холболт. Илүү их гүйдэл үүсгэхийн тулд каскадын элементүүдийн багцыг зэрэгцээ холбодог. Хэрэв та түлшний эсийн каскадыг түлшний үйлдвэр, агаарын хангамж, хөргөлтийн систем, хяналтын системтэй хослуулбал түлшний эсийн хөдөлгүүртэй болно. Энэ хөдөлгүүр нь жолоодох боломжтой тээврийн хэрэгсэл, суурин цахилгаан станц эсвэл зөөврийн цахилгаан үүсгүүр6. Түлшний эсийн хөдөлгүүр нь хэрэглээ, түлшний эсийн төрөл, ашигласан түлш зэргээс шалтгаалан янз бүрийн хэмжээтэй байдаг. Жишээлбэл, Омаха дахь банкинд суурилуулсан дөрвөн тусдаа 200 кВт-ын суурин цахилгаан станц тус бүр нь ачааны машины чиргүүлтэй ойролцоо хэмжээтэй байна.

Хэрэглээ

Түлшний эсийг суурин болон хөдөлгөөнт төхөөрөмжид ашиглаж болно. АНУ-ын утааны зохицуулалтыг чангатгасны хариуд ДаймлерКрайслер, Тоёота, Форд, Женерал Моторс, Фольксваген, Хонда, Ниссан зэрэг автомашин үйлдвэрлэгчид түлшний эсийн автомашинуудыг туршиж, үзүүлжээ. Анхны арилжааны түлшээр ажилладаг автомашинууд 2004 эсвэл 2005 онд зам дээр гарах төлөвтэй байна.

Түлшний эсийн технологийн түүхэн дэх томоохон үйл явдал бол 1993 оны 6-р сард Ballard Power System компаниас 90 киловаттын устөрөгчийн түлшний элемент бүхий хөдөлгүүртэй 32 фут хотын туршилтын автобусыг үзүүлсэн явдал юм. Түүнээс хойш олон янз бүрийн төрөлөөр өөр үеийн түлшний эсүүдээр ажилладаг суудлын автомашинууд янз бүрийн төрөлтүлш. 1996 оны сүүлчээс хойш Калифорни мужийн Палм цөлд гурван устөрөгчийн түлшээр ажилладаг гольфын тэрэг ашиглагдаж байна. Иллинойс мужийн Чикаго хотын зам дээр; Ванкувер, Британийн Колумби; болон Норвегийн Осло хотын түлшний эсийн автобусыг туршиж байна. Шүлтлэг түлшээр ажилладаг таксиг Лондонгийн гудамжинд туршиж байна.

Түлшний элементийн технологийг ашиглан суурин суурилуулалтыг мөн үзүүлж байгаа боловч одоогоор өргөн хэрэглэгдэхгүй байна. арилжааны програм. Небраска дахь Омахагийн Анхны Үндэсний банк нь түлшний эсийн системийг компьютерийг тэжээхэд ашигладаг, учир нь энэ систем нь батарейгаар цэнэглэгддэг хуучин сүлжээний системээс илүү найдвартай байдаг. Дэлхийн хамгийн том арилжааны систем 1.2 МВт-ын хүчин чадалтай түлшний эсийг удахгүй Аляска дахь шуудангийн төвд суурилуулна. Мөн түлшний эсийн зөөврийн компьютер, цэвэрлэх байгууламжид ашигладаг хяналтын систем, автомат машиныг туршиж, үзүүлж байна.

"Сайн болон сул талууд"

Түлшний эсүүд нь хэд хэдэн давуу талтай байдаг. Орчин үеийн дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашиг ердөө 12-15% байхад түлшний эсийн хувьд энэ коэффициент 50% байна. Түлшний эсийн үр ашиг нэлээд хэвээр байж болно өндөр түвшин, тэдгээр нь бүрэн хүчин чадлаараа ашиглагдаагүй байсан ч энэ нь бензин хөдөлгүүртэй харьцуулахад гол давуу тал юм.

Түлшний эсийн дизайны модульчлагдсан шинж чанар нь түлшний эсийн цахилгаан станцын хүчин чадлыг хэдхэн шат дамжлага нэмэх замаар нэмэгдүүлэх боломжтой гэсэн үг юм. Энэ нь хүчин чадлын дутуу ашиглалтын хүчин зүйлийг багасгаж, эрэлт нийлүүлэлтийг илүү сайн тохируулах боломжийг олгодог. Түлшний эсийн яндангийн үр ашиг нь тус бүрийн эсийн гүйцэтгэлээр тодорхойлогддог тул жижиг түлшний эсийн цахилгаан станцууд том хэмжээтэй адил үр ашигтай ажилладаг. Түүнчлэн суурин түлшний эсийн системээс гарсан хаягдал дулааныг ус болон орон зайн халаалтанд ашиглаж, эрчим хүчний хэмнэлтийг улам нэмэгдүүлнэ.

Түлшний эсийг ашиглах үед хортой ялгаруулалт бараг байдаггүй. Хөдөлгүүр цэвэр устөрөгчөөр ажиллахад зөвхөн дулаан, цэвэр усны уур нь дайвар бүтээгдэхүүн болж үүсдэг. Тиймээс сансрын хөлөг дээр сансрын нисэгчид усан онгоцны түлшний эсийн үйл ажиллагааны үр дүнд үүсдэг ус уудаг. Ялгарлын найрлага нь устөрөгчийн эх үүсвэрийн шинж чанараас хамаарна. Метанолыг ашигласнаар азотын исэл, нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн ялгаралт тэг болж, зөвхөн бага хэмжээний нүүрсустөрөгчийн ялгаралт үүсдэг. Устөрөгчөөс метанол руу шилжих тусам ялгаралт нэмэгддэг ч бензинтэй байсан ч ялгарах хэмжээ бага хэвээр байх болно. Ямар ч байсан өнөөгийн уламжлалт дотоод шаталтат хөдөлгүүрийг түлшний эсээр солих нь CO2 болон NOx ялгаруулалтыг бүхэлд нь бууруулахад хүргэнэ.

Түлшний эсийг ашиглах нь эрчим хүчний дэд бүтцийн уян хатан байдлыг бий болгож, бий болгодог нэмэлт функцуудтөвлөрсөн бус эрчим хүч үйлдвэрлэхэд зориулагдсан. Төвлөрсөн бус эрчим хүчний эх үүсвэрийн олон талт байдал нь дамжуулалтын алдагдлыг бууруулж, эрчим хүчний борлуулалтын зах зээлийг хөгжүүлэх боломжийг олгодог (энэ нь эрчим хүчний шугамд холбогдох боломжгүй алслагдсан болон хөдөө орон нутагт онцгой ач холбогдолтой). Түлшний эсийн тусламжтайгаар оршин суугчид эсвэл ойр орчмын оршин суугчид ихэнх цахилгаан эрчим хүчээр өөрсдийгөө хангаж, улмаар түүний ашиглалтын үр ашгийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой.

Түлшний эсүүд нь эрчим хүчийг өгдөг Өндөр чанарболон найдвартай байдлыг нэмэгдүүлсэн. Эдгээр нь удаан эдэлгээтэй, хөдөлгөөнт хэсэггүй, тогтмол хэмжээний эрчим хүч үйлдвэрлэдэг.

Гэсэн хэдий ч гүйцэтгэлийг сайжруулах, зардлыг бууруулах, улмаар түлшний эсийг бусад эрчим хүчний технологитой өрсөлдөх чадвартай болгохын тулд түлшний эсийн технологийг цаашид сайжруулах шаардлагатай байна. Эрчим хүчний технологийн зардлын шинж чанарыг авч үзэхдээ бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн үндсэн дээр харьцуулалт хийх ёстой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. технологийн шинж чанархөрөнгийн ашиглалтын зардал, бохирдуулагчийн ялгарал, эрчим хүчний чанар, эдэлгээ, ашиглалтаас хасах, уян хатан байдал зэрэг орно.

Устөрөгчийн хий нь хамгийн сайн түлш боловч түүнийг ашиглах дэд бүтэц, тээврийн суурь хараахан бүрдээгүй байна. Богино хугацаанд одоо байгаа чулуужсан түлшний хангамжийн системийг (шатахуун түгээх станц гэх мэт) ашиглаж, цахилгаан станцуудыг бензин, метанол эсвэл байгалийн хий хэлбэрээр устөрөгчийн эх үүсвэрээр хангах боломжтой. Энэ нь тусгай зориулалтын устөрөгч цэнэглэх станцуудын хэрэгцээг арилгах боловч машин бүрийг чулуужсан түлшийг устөрөгч болгон хувиргагч ("шинэчлэгч") суурилуулах шаардлагатай болно. Энэ аргын сул тал нь чулуужсан түлшийг ашигладаг бөгөөд ингэснээр нүүрстөрөгчийн давхар исэл ялгаруулдаг. Одоогийн байдлаар тэргүүлэгч нэр дэвшигч метанол нь бензинээс бага ялгаруулдаг боловч ижил эрчим хүчний агууламжийн хувьд хоёр дахин их зай эзэлдэг тул машинд илүү том багтаамжтай сав хэрэгтэй болно.

Чулуужсан түлшний хангамжийн системээс ялгаатай нь нарны болон салхины системүүд (устөрөгч, хүчилтөрөгчийг уснаас гаргаж авахын тулд цахилгааныг ашигладаг) болон шууд фото хувиргах системүүд (устөрөгчийг үйлдвэрлэхийн тулд хагас дамжуулагч материал эсвэл ферментийг ашигладаг) устөрөгчийг ямар ч шинэчлэлтгүйгээр нийлүүлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр утаа ялгаруулдаг. Метанол эсвэл бензин түлшний эсийг ашиглах үед ажиглагддаг хортой бодисоос зайлсхийх боломжтой. Шаардлагатай бол устөрөгчийг түлшний үүрэнд хадгалж, цахилгаан болгон хувиргах боломжтой. Цаашид түлшний эсийг эдгээр төрлийн сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэрт холбох нь үр бүтээлтэй, байгаль орчинд ээлтэй, олон талт эрчим хүчний эх үүсвэрээр хангах үр дүнтэй стратеги байх магадлалтай.

IEER-ийн зөвлөмж нь орон нутаг, муж, муж улсын засгийн газруудад тээврийн худалдан авалтын төсвийн тодорхой хэсгийг түлшний эсийн тээврийн хэрэгсэл болон суурин түлшний эсийн системд хуваарилж, зарим зайлшгүй шаардлагатай эсвэл шинэ барилгуудыг дулаан, цахилгаанаар хангахад чиглэгддэг. Энэ нь амин чухал технологийг хөгжүүлэх, хүлэмжийн хийн ялгарлыг бууруулахад хувь нэмэр оруулна.

AT орчин үеийн амьдралХимийн гүйдлийн эх үүсвэрүүд биднийг хаа сайгүй хүрээлдэг: эдгээр нь гар чийдэн дэх батерей, доторх батерей юм гар утас, зарим тээврийн хэрэгсэлд аль хэдийн ашиглагдаж байгаа устөрөгчийн түлшний эсүүд. Цахилгаан химийн технологийн хурдацтай хөгжил нь ойрын ирээдүйд бензин хөдөлгүүртэй автомашины оронд зөвхөн цахилгаан тээврийн хэрэгслээр хүрээлэгдэж, утаснууд хурдан дуусч, байшин бүр өөрийн гэсэн түлшний элементтэй болно. цахилгаан үүсгүүр. Уралын Холбооны Их Сургуулийн ОХУ-ын Шинжлэх Ухааны Академийн Уралын салбарын Өндөр температурын цахилгаан химийн хүрээлэнтэй хамтарсан хөтөлбөрүүдийн нэг нь бидний энэхүү нийтлэлийг нийтэлж байгаа нь цахилгаан химийн агуулах, цахилгаан үүсгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд зориулагдсан болно. .

Өнөөдөр маш олон төрлийн батерейнууд байдаг бөгөөд тэдгээрийн хооронд шилжих нь улам бүр хэцүү болж байна. Батерей нь суперконденсатороос юугаараа ялгаатай, яагаад устөрөгчийн түлшний эсийг байгаль орчинд хор хөнөөл учруулахаас айхгүйгээр ашиглаж болох нь хэнд ч ойлгомжтой биш юм. Энэ нийтлэлд бид химийн урвалыг цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд хэрхэн ашигладаг, орчин үеийн химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүдийн үндсэн төрлүүдийн хооронд ямар ялгаа байдаг, цахилгаан химийн энергийн хэтийн төлөвийг нээх талаар ярилцах болно.

Хими нь цахилгаан эрчим хүчний эх үүсвэр

Нэгдүгээрт, яагаад химийн энергийг цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглаж болохыг харцгаая. Гол нь исэлдэлтийн урвалын үед электронууд хоёр өөр ионы хооронд шилждэг. Хэрэв химийн урвалын хоёр хагасыг орон зайд тусгаарласнаар исэлдэлт, бууралт нь бие биенээсээ тусад нь явагдах юм бол нэг ионоос салсан электрон хоёр дахь ион дээр шууд унахгүй, харин эхлээд түүнд зориулж урьдчилан тодорхойлсон замаар явдаг. Энэ урвалыг цахилгаан гүйдлийн эх үүсвэр болгон ашиглаж болно.

Энэ үзэл баримтлалыг анх 18-р зуунд Италийн физиологич Луижи Галвани хэрэгжүүлсэн. Уламжлалт гальваник эсийн үйл ажиллагаа нь янз бүрийн идэвхжилтэй металлыг багасгах, исэлдүүлэх урвал дээр суурилдаг. Жишээлбэл, цайр исэлдэж, зэс нь багасдаг гальваник эсийг сонгодог эс гэнэ. Анод болон катод дээр бууралт ба исэлдэлтийн урвал явагдана. Зэс, цайрын ионууд бие биетэйгээ шууд урвалд орох боломжтой "гадаадын нутаг дэвсгэрт" орохгүйн тулд ихэвчлэн анод ба катодын хооронд тусгай мембран байрлуулдаг. Үүний үр дүнд электродуудын хооронд боломжит зөрүү үүсдэг. Хэрэв та электродуудыг, жишээлбэл, гэрлийн чийдэнг холбосон бол үүссэн цахилгаан хэлхээнд гүйдэл гүйж эхэлдэг бөгөөд гэрлийн чийдэн асдаг.

Гальваник эсийн диаграмм

Wikimedia Commons

Анод ба катодын материалаас гадна химийн гүйдлийн эх үүсвэрийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг нь электролит бөгөөд дотор нь ионууд хөдөлж, хил дээр бүх цахилгаан химийн урвалууд электродуудтай хамт явагддаг. Энэ тохиолдолд электролит нь шингэн байх албагүй - энэ нь полимер болон керамик материал байж болно.

Гальваник эсийн гол сул тал нь түүний ажиллах хугацаа хязгаарлагдмал байдаг. Урвал дуусахад (өөрөөр хэлбэл аажмаар уусдаг анод бүрэн дууссан) ийм элемент зүгээр л ажиллахаа болино.

Хурууны шүлтлэг батерей

Цэнэглэдэг

Химийн гүйдлийн эх үүсвэрийн чадавхийг өргөжүүлэх эхний алхам бол дахин цэнэглэж, дахин ашиглах боломжтой гүйдлийн эх үүсвэр болох батерейг бий болгох явдал байв. Үүний тулд эрдэмтэд зүгээр л урвуу химийн урвалыг ашиглахыг санал болгов. Батерейг анх удаа бүрэн цэнэггүй болгосны дараа гадаад гүйдлийн эх үүсвэрийн тусламжтайгаар түүний дотор гарсан урвалыг эсрэг чиглэлд эхлүүлж болно. Энэ нь анхны төлөвийг сэргээж, цэнэглэсний дараа зайг дахин ашиглах боломжтой болно.

Автомашины хар тугалганы хүчлийн батерей

Өнөөдрийг хүртэл олон төрлийн батерей бий болсон бөгөөд тэдгээр нь химийн урвалын төрлөөр ялгаатай байдаг. Батерейны хамгийн түгээмэл төрлүүд нь хар тугалганы хүчил (эсвэл зүгээр л хар тугалга) батерейнууд бөгөөд тэдгээр нь хар тугалганы исэлдэлтийг бууруулах урвал дээр суурилдаг. Ийм төхөөрөмжүүдийн ашиглалтын хугацаа нэлээд урт бөгөөд эрчим хүчний хэрэглээ нь килограмм тутамд 60 ватт-цаг хүртэл байдаг. Сүүлийн үед литийн исэлдэлтийн урвал дээр суурилсан лити-ион батерейнууд илүү алдартай болсон. Орчин үеийн лити-ион батерейны эрчим хүчний эрчим хүч одоо кг тутамд 250 ватт-цагаас давж байна.

Гар утасны ли-ион батерей

Лити-ион батерейны гол асуудал нь бага температурт үр ашиг багатай, хурдан хөгшрөлт, тэсрэх чадвар ихэсдэг. Лити металл нь устай маш идэвхтэй урвалд орж устөрөгчийн хий үүсгэж, батерейг шатаах үед хүчилтөрөгч ялгардаг тул литийн ион батерейг аяндаа шатаах нь уламжлалт гал унтраах аргуудыг ашиглахад маш хэцүү байдаг. Ийм батерейны аюулгүй байдлыг сайжруулж, цэнэглэх хугацааг нь хурдасгахын тулд эрдэмтэд дендрит литийн бүтэц үүсэхээс сэргийлдэг катодын материалыг санал болгож, электролитэд тэсэрч дэлбэрэх бүтэц үүсгэдэг бодис, эхний шатанд гал авалцдаг бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэмдэг. .

Хатуу электролит

Батерейны үр ашиг, аюулгүй байдлыг сайжруулах өөр нэг тодорхой бус арга болох химич нар химийн эрчим хүчний эх үүсвэр дэх шингэн электролитээр хязгаарлагдахгүй, харин бүхэлдээ хатуу төлөвт эрчим хүчний эх үүсвэр бий болгохыг санал болгов. Ийм төхөөрөмжид шингэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд огт байдаггүй, гэхдээ тэдгээрийн хооронд хатуу анод, хатуу катод, хатуу электролитийн давхаргат бүтэц байдаг. Электролит нь нэгэн зэрэг мембраны үүргийг гүйцэтгэдэг. Хатуу электролит дэх цэнэглэгч нь түүний найрлага, анод ба катод дээр явагдах урвалаас хамааран янз бүрийн ионууд байж болно. Гэхдээ тэдгээр нь үргэлж хангалттай жижиг ионууд бөгөөд талстаар харьцангуй чөлөөтэй хөдөлж чаддаг, жишээлбэл, H + протонууд, Li + литийн ионууд эсвэл O 2- хүчилтөрөгчийн ионууд.

Устөрөгчийн түлшний эсүүд

Цэнэглэх чадвар, аюулгүй байдлын тусгай арга хэмжээнүүд нь батерейг ердийн батерейгаас хамаагүй илүү ирээдүйтэй гүйдлийн эх үүсвэр болгодог ч батерей бүр дотор нь хязгаарлагдмал хэмжээний урвалж агуулагддаг тул эрчим хүчний хангамж хязгаарлагдмал байдаг тул батерейг дахин цэнэглэх шаардлагатай болдог. гүйцэтгэлээ үргэлжлүүлэх.

Батерейг "хязгааргүй" болгохын тулд энергийн эх үүсвэр болгон эсийн доторх бодисыг биш, харин түүгээр тусгайлан шахдаг түлшийг ашиглах боломжтой. Хамгийн шилдэг нь, найрлага нь аль болох энгийн, байгаль орчинд ээлтэй, дэлхий дээр элбэг байдаг бодис нь ийм түлшинд хамгийн тохиромжтой.

Энэ төрлийн хамгийн тохиромжтой бодис бол устөрөгчийн хий юм. Агаар мандлын хүчилтөрөгчтэй исэлдэж ус үүсгэдэг (2H 2 + O 2 → 2H 2 O урвалын дагуу) нь энгийн исэлдэлтийн урвал бөгөөд ионуудын хоорондох электрон тээвэрлэлтийг одоогийн эх үүсвэр болгон ашиглаж болно. Энэ тохиолдолд явагдаж буй урвал нь усны электролизийн урвалын нэг төрлийн урвуу урвал юм (цахилгаан гүйдлийн нөлөөн дор ус нь хүчилтөрөгч, устөрөгч болж задардаг) бөгөөд ийм схемийг анх удаа санал болгосон. 19-р зууны дунд үе.

Хэдийгээр хэлхээ нь маш энгийн харагддаг ч энэ зарчим дээр суурилсан үр ашигтай төхөөрөмж бий болгох нь тийм ч энгийн ажил биш юм. Үүнийг хийхийн тулд сансарт хүчилтөрөгч, устөрөгчийн урсгалыг салгаж, шаардлагатай ионуудыг электролитээр дамжуулж, үйл ажиллагааны бүх үе шатанд боломжит эрчим хүчний алдагдлыг багасгах шаардлагатай.

Устөрөгчийн түлшний эсийн үйл ажиллагааны бүдүүвч диаграм

Ажиллаж буй устөрөгчийн түлшний эсийн схем нь химийн гүйдлийн эх үүсвэрийн схемтэй маш төстэй боловч түлш, исэлдүүлэгчийг нийлүүлэх, урвалын бүтээгдэхүүн, илүүдэл нийлүүлсэн хийг зайлуулах нэмэлт сувгуудыг агуулдаг. Ийм элементийн электродууд нь сүвэрхэг дамжуулагч катализатор юм. Хийн түлш (устөрөгч) нь анод руу, исэлдүүлэгч бодис (агаараас хүчилтөрөгч) катод руу орж, электролитийн электролитийн хил дээр өөрийн хагас урвал явагдана (исэлдэлт). устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн бууралт). Энэ тохиолдолд түлшний эсийн төрөл ба электролитийн төрлөөс хамааран ус үүсэх нь өөрөө анод эсвэл катодын орон зайд үргэлжилж болно.

Toyota устөрөгчийн түлшний эс

Жозеф Брент / flickr

Хэрэв электролит нь протон дамжуулагч полимер эсвэл керамик мембран, хүчил эсвэл шүлтийн уусмал байвал электролит дахь цэнэг зөөгч нь устөрөгчийн ион юм. Энэ тохиолдолд молекулын устөрөгч нь анод дээр устөрөгчийн ион болж исэлддэг бөгөөд энэ нь электролитээр дамжин хүчилтөрөгчтэй урвалд ордог. Хэрэв хүчилтөрөгчийн ион O 2- нь хатуу оксидын электролитийн нэгэн адил цэнэг зөөгч бол хүчилтөрөгч нь катод дээр ион болж буурдаг бол энэ ион нь электролитээр дамжин анод дахь устөрөгчийг исэлдүүлэн ус үүсгэдэг. электронууд.

Түлшний эсийн устөрөгчийн исэлдэлтийн урвалаас гадна өөр төрлийн урвалыг ашиглахыг санал болгов. Жишээлбэл, устөрөгчийн оронд багасгах түлш нь хүчилтөрөгчөөр исэлдэж, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, ус болж хувирдаг метанол байж болно.

Түлшний эсийн үр ашиг

Устөрөгчийн түлшний эсийн бүх давуу талыг үл харгалзан (байгаль орчинд ээлтэй, бараг хязгааргүй үр ашиг, авсаархан хэмжээ, эрчим хүчний өндөр эрчим хүч гэх мэт) тэдгээр нь бас олон сул талуудтай. Үүнд, юуны түрүүнд, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн аажмаар хөгшрөлт, устөрөгчийг хадгалахад бэрхшээлтэй байдаг. Эдгээр дутагдлыг хэрхэн арилгах талаар эрдэмтэд өнөөдөр ажиллаж байна.

Одоогийн байдлаар электролитийн найрлага, катализаторын электродын шинж чанар, системийн геометрийг өөрчлөх замаар түлшний эсийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхийг санал болгож байна (энэ нь түлшний хийг хүссэн цэг хүртэл нийлүүлж, гаж нөлөөг бууруулдаг). Устөрөгчийн хийг хадгалах асуудлыг шийдэхийн тулд цагаан алт агуулсан материалыг, жишээлбэл, графен мембраныг ханалтанд ашигладаг.

Үүний үр дүнд түлшний эсийн тогтвортой байдал, түүний бие даасан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлэх боломжтой. Одоо ийм эсийн химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргах коэффициент 80 хувьд хүрч, тодорхой нөхцөлд бүр ч өндөр байж болно.

Устөрөгчийн эрчим хүчний асар том хэтийн төлөв нь түлшний эсийг бүхэл бүтэн батерей болгон нэгтгэж, өндөр хүчин чадалтай цахилгаан үүсгүүр болгон хувиргах боломжтой холбоотой юм. Одоо ч гэсэн устөрөгчийн түлшний эсүүд дээр ажилладаг цахилгаан үүсгүүрүүд хэдэн зуун киловатт хүртэл хүчин чадалтай бөгөөд тээврийн хэрэгслийн эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашиглаж байна.

Альтернатив цахилгаан химийн хадгалалт

Сонгодог цахилгаан химийн гүйдлийн эх үүсвэрээс гадна илүү ер бусын системийг эрчим хүч хадгалах төхөөрөмж болгон ашигладаг. Эдгээр системүүдийн нэг нь суперконденсатор (эсвэл ионистор) юм - цэнэглэгдсэн гадаргуугийн ойролцоо давхар давхарга үүссэний улмаас цэнэгийг ялгах, хуримтлуулах төхөөрөмж юм. Ийм төхөөрөмж дэх электрод-электролитийн интерфэйс дээр өөр өөр шинж тэмдгийн ионууд "давхар цахилгаан давхарга" гэж нэрлэгддэг хоёр давхаргад байрладаг бөгөөд нэг төрлийн маш нимгэн конденсатор үүсгэдэг. Ийм конденсаторын багтаамж, өөрөөр хэлбэл хуримтлагдсан цэнэгийн хэмжээ нь электродын материалын тодорхой гадаргуугийн талбайгаар тодорхойлогддог тул хамгийн их хувийн гадаргуутай сүвэрхэг материалыг материал болгон авах нь ашигтай байдаг. суперконденсаторууд.

Ионисторууд нь цэнэгийн хурдаар химийн гүйдлийн эх үүсвэрүүдийн дунд тэргүүлдэг бөгөөд энэ төрлийн төхөөрөмжийн эргэлзээгүй давуу тал юм. Харамсалтай нь тэд ус зайлуулах хурдаараа дээд амжилт тогтоогчид юм. Ионисторуудын эрчим хүчний нягт нь хар тугалгатай батерейтай харьцуулахад найм дахин, лити-ионтой харьцуулахад 25 дахин бага байдаг. Сонгодог "давхар давхарга" ионисторууд нь үндсэндээ цахилгаан химийн урвалыг ашигладаггүй бөгөөд "конденсатор" гэсэн нэр томъёог хамгийн зөв хэрэглэдэг. Гэсэн хэдий ч цахилгаан химийн урвал дээр суурилдаг ионисторуудын хувилбаруудад цэнэгийн хуримтлал нь электродын гүнд тархдаг тул хурдан цэнэглэх хурдыг хадгалахын зэрэгцээ илүү их цэнэг алдах боломжтой байдаг. Суперконденсаторыг бүтээгчдийн хүчин чармайлт нь суперконденсаторуудын давуу тал, юуны түрүүнд өндөр цэнэгийн түвшин, батерейны давуу тал болох эрчим хүчний өндөр эрчим хүч, цэнэггүй байх хугацааг хослуулсан батерей бүхий эрлийз төхөөрөмжүүдийг бий болгоход чиглэгддэг. Ойрын ирээдүйд хэдхэн минутын дотор цэнэглэгдэх ионистор батерейг төсөөлөөд үз дээ, зөөврийн компьютер эсвэл ухаалаг гар утсыг нэг өдөр эсвэл түүнээс дээш хугацаанд тэжээх болно!

Одоо суперконденсаторуудын эрчим хүчний нягтрал нь батерейны эрчим хүчний нягтралаас хэд дахин бага хэвээр байгаа хэдий ч тэдгээрийг Хэрэглээний цахилгаан хэрэгсэлтөрөл бүрийн тээврийн хэрэгслийн хөдөлгүүр, түүний дотор ихэнх нь.

* * *

Тиймээс өнөөдөр маш олон тооны цахилгаан химийн төхөөрөмжүүд байдаг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь тодорхой хэрэглээний хувьд ирээдүйтэй байдаг. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн үр ашгийг дээшлүүлэхийн тулд эрдэмтэд суурь болон технологийн хэд хэдэн асуудлыг шийдвэрлэх шаардлагатай байна. Шилдэг төслүүдийн нэг хүрээнд эдгээр ажлуудын ихэнх нь Уралын Холбооны Их Сургуульд шийдэгдэж байгаа тул ОХУ-ын ШУА-ийн Уралын салбарын Өндөр температурын цахилгаан химийн хүрээлэнгийн захирал Максим Ананиеваас асуув. Орчин үеийн түлшний эсийг хөгжүүлэх ойрын төлөвлөгөө, хэтийн төлөвийн талаар Уралын Холбооны Их Сургуулийн Химийн Технологийн Хүрээлэнгийн Цахилгаан химийн үйлдвэрлэлийн технологийн тэнхимийн профессор.

N+1: Ойрын ирээдүйд хамгийн алдартай Li-Ion батерейгаас өөр хувилбар бий юу?

Максим Ананиев:Батерейны хөгжүүлэгчдийн орчин үеийн хүчин чармайлт нь электролит дахь цэнэгийн тээвэрлэгчийн төрлийг литийн натри, кали, хөнгөн цагаанаас солиход чиглэгддэг. Литиг сольсны үр дүнд жин, хэмжээ нь пропорциональ хэмжээгээр нэмэгдэх боловч батерейны өртөгийг бууруулах боломжтой болно. Өөрөөр хэлбэл, ижил цахилгаан шинж чанарын хувьд натрийн ион батерей нь лити-ион батерейгаас илүү том, хүнд байх болно.

Нэмж дурдахад батерейг сайжруулах ирээдүйтэй хөгжиж буй чиглэлүүдийн нэг бол түлшний эсийн нэгэн адил металл-ион батерейг агаарын электродтой хослуулах үндсэн дээр химийн эрлийз эрчим хүчний эх үүсвэрийг бий болгох явдал юм. Ерөнхийдөө суперконденсаторуудын жишээн дээр дурдсанчлан эрлийз системийг бий болгох чиглэл нь ойрын ирээдүйд өндөр хэрэглээний шинж чанартай химийн эрчим хүчний эх үүсвэрийг зах зээл дээр харах боломжтой болох юм.

Уралын Холбооны Их Сургууль нь Орос болон дэлхийн эрдэм шинжилгээний болон аж үйлдвэрийн түншүүдтэй хамтран 6 мега төслийг амжилттай хэрэгжүүлж байна. Шинжлэх ухааны судалгаа. Ийм төслүүдийн нэг нь "Цахилгаан химийн эрчим хүчний инженерчлэлийн хэтийн төлөвийн технологиуд нь шинэ материалын химийн загвараас эрчим хүч хэмнэх, хувиргах шинэ үеийн цахилгаан химийн төхөөрөмж хүртэл" юм.

Максим Ананьевыг багтаасан УрФУ-ын Байгалийн шинжлэх ухаан, математикийн сургуулийн Стратегийн эрдмийн нэгжийн (SAU) эрдэмтдийн бүлэг нь түлшний эс, электролитийн эс, металл графен батерей, цахилгаан химийн бодис зэрэг шинэ материал, технологийг зохион бүтээх, хөгжүүлэх чиглэлээр ажилладаг. цахилгаан хадгалах систем ба суперконденсаторууд.

Судалгаа ба шинжлэх ухааны ажилОХУ-ын Шинжлэх ухааны академийн Уралын салбарын Өндөр температурын цахилгаан химийн хүрээлэнтэй байнгын хамтын ажиллагаа, түншүүдийн дэмжлэгтэйгээр явагддаг.

Одоогоор аль түлшний эсийг боловсруулж байгаа бөгөөд хамгийн их боломжтой вэ?

Түлшний эсийн хамгийн ирээдүйтэй төрлүүдийн нэг бол протон керамик эс юм. Тэд нүүрсустөрөгчийн түлшээр шууд ажиллах боломжтой тул протон солилцооны мембран, хатуу исэл эсүүдтэй полимер түлшний эсүүдээс давуу талтай. Энэ нь протон керамик түлшний эсүүд болон хяналтын системд суурилсан цахилгаан станцын дизайныг ихээхэн хялбарчилж, улмаар ашиглалтын найдвартай байдлыг нэмэгдүүлдэг. Одоогийн байдлаар энэ төрлийн түлшний эсүүд түүхэндээ бага хөгжсөн нь үнэн боловч орчин үеийн шинжлэх ухааны судалгаанууд ирээдүйд энэ технологийн өндөр чадавхийг найдах боломжийг бидэнд олгож байна.

Одоо Уралын Холбооны Их Сургуульд түлшний эсүүдтэй холбоотой ямар асуудлыг шийдэж байна вэ?

Одоо UrFU-ийн эрдэмтэд ОХУ-ын Шинжлэх ухааны академийн Уралын салбарын Өндөр температурын цахилгаан химийн хүрээлэнтэй (IHTE) хамтран эрчим хүчний өндөр үр ашигтай цахилгаан химийн төхөөрөмж, цахилгаан эрчим хүчний бие даасан үүсгүүрийг түгээх эрчим хүчний хэрэглээнд ашиглахаар ажиллаж байна. Түгээмэл эрчим хүчний цахилгаан станцуудыг бий болгох нь эхлээд батерей болох цахилгаан үүсгүүр, хадгалах төхөөрөмж дээр суурилсан эрлийз системийг хөгжүүлэхийг хэлнэ. Үүний зэрэгцээ түлшний эс нь тогтмол ажиллаж, оргил ачааллын үед ачааллыг хангаж, сул зогсолтын горимд батерейг цэнэглэдэг бөгөөд энэ нь өөрөө эрчим хүчний өндөр зарцуулалт болон онцгой байдлын үед нөөцийн үүрэг гүйцэтгэдэг.

Уралын Холбооны Их Сургууль, IHTE-ийн химич нар хатуу исэл ба протон керамик түлшний эсийг хөгжүүлэхэд хамгийн их амжилтанд хүрсэн. 2016 оноос хойш Уралд "Росатом" төрийн корпорацтай хамтран хатуу исэлдлийн түлшний эсүүд дээр суурилсан анхны Оросын цахилгаан станцуудыг үйлдвэрлэжээ. Уралын эрдэмтдийн хөгжүүлэлт нь Уралтрансгаз ХХК-ийн туршилтын талбайн хийн хоолойн катодын хамгаалалтын станцад "хээрийн" туршилтыг аль хэдийн давсан. 1.5 кВт-ын нэрлэсэн хүчин чадалтай цахилгаан станц нь 10 мянга гаруй цаг ажилласан бөгөөд ийм төхөөрөмжийг ашиглах өндөр боломжийг харуулсан.

Уралын Холбооны Их Сургууль, IHTE-ийн хамтарсан лабораторийн хүрээнд протон дамжуулагч керамик мембран дээр суурилсан цахилгаан химийн төхөөрөмжийг боловсруулж байна. Энэ нь ойрын ирээдүйд хатуу исэлийн түлшний эсийн ажиллах температурыг 900-аас 500 хэм хүртэл бууруулж, нүүрсустөрөгчийн түлшний урьдчилсан шинэчлэлээс татгалзаж, ийм нөхцөлд ажиллах чадвартай, хэмнэлттэй цахилгаан химийн генераторуудыг бий болгох боломжийг олгоно. ОХУ-д байгалийн хийн хангамжийн дэд бүтцийг бий болгосон.

Александр Дубов

Мэдлэгийн экологи Шинжлэх ухаан, технологи: Устөрөгчийн эрчим хүч нь хамгийн өндөр үр ашигтай салбаруудын нэг бөгөөд түлшний эсүүд нь шинэлэг технологийн тэргүүн эгнээнд үлдэх боломжийг олгодог.

Түлшний эс нь цахилгаан химийн урвалаар устөрөгчөөр баялаг түлшнээс шууд гүйдэл, дулааныг үр ашигтайгаар үүсгэдэг төхөөрөмж юм.

Түлшний эс нь химийн урвалаар шууд гүйдэл үүсгэдэг батерейтай төстэй. Дахин хэлэхэд батерейны нэгэн адил түлшний эсэд анод, катод, электролит орно. Гэсэн хэдий ч батерейгаас ялгаатай нь түлшний эсүүд нь цахилгаан энергийг хуримтлуулж чаддаггүй, цэнэггүй, цахилгааныг цэнэглэх шаардлагагүй байдаг. Түлшний эсүүд нь түлш, агаарын нөөцтэй л бол тасралтгүй цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх боломжтой. Зөв нэр томъёоажиллаж байгаа түлшний эсийг дүрслэхийн тулд энэ нь элементүүдийн систем юм, учир нь зарим туслах системүүд бүрэн ажиллагаатай байх шаардлагатай.

Дотоод шаталтат хөдөлгүүр эсвэл хий, нүүрс, тос гэх мэт түлшээр ажилладаг турбин зэрэг бусад цахилгаан үүсгүүрүүдээс ялгаатай нь түлшний эсүүд түлш шатаахгүй. Энэ нь дуу чимээ ихтэй өндөр даралтын ротор, чанга яндангийн дуу чимээ, чичиргээ байхгүй гэсэн үг юм. Түлшний эсүүд чимээгүй цахилгаан химийн урвалаар цахилгаан үүсгэдэг. Түлшний эсийн өөр нэг онцлог нь түлшний химийн энергийг шууд цахилгаан, дулаан, ус болгон хувиргадаг.

Түлшний эсүүд нь өндөр үр ашигтай бөгөөд нүүрстөрөгчийн давхар исэл, метан, азотын исэл зэрэг хүлэмжийн хийг их хэмжээгээр үүсгэдэггүй. Түлшний эсээс ялгардаг цорын ганц бүтээгдэхүүн бол уур хэлбэрээр ус, бага хэмжээний нүүрстөрөгчийн давхар исэл бөгөөд цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашиглавал огт ялгардаггүй. Түлшний элементүүдийг угсарч, дараа нь бие даасан функциональ модулиуд болгон угсардаг.

Түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим

Түлшний эсүүд нь электролит, катод, анод ашиглан үргэлжилж буй цахилгаан химийн урвалын улмаас цахилгаан, дулааныг үүсгэдэг.

Анод ба катод нь протоныг дамжуулдаг электролитээр тусгаарлагддаг. Устөрөгч нь анод руу орж, хүчилтөрөгч катод руу орсны дараа химийн урвал эхэлдэг бөгөөд үүний үр дүнд цахилгаан гүйдэл, дулаан, ус үүсдэг. Анодын катализатор дээр молекулын устөрөгч нь электроныг задалж, алддаг. Устөрөгчийн ионууд (протонууд) нь электролитээр дамжин катод руу дамждаг бол электронууд нь электролитээр дамжиж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамждаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглаж болох шууд гүйдэл үүсгэдэг. Катодын катализатор дээр хүчилтөрөгчийн молекул нь электрон (гадаад харилцаа холбоогоор хангадаг) болон ирж буй протонтой нэгдэж, цорын ганц урвалын бүтээгдэхүүн (уур ба / эсвэл шингэн хэлбэрээр) ус үүсгэдэг.

Харгалзах хариу урвалыг доор харуулав.

Анодын урвал: 2H2 => 4H+ + 4e-
Катод дахь урвал: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Ерөнхий элементийн урвал: 2H2 + O2 => 2H2O

Түлшний эсийн төрлүүд

Төрөл бүрийн дотоод шаталтат хөдөлгүүртэй адил түлшний эсүүд өөр өөр байдаг - тохирох төрлийн түлшний эсийн сонголт нь түүний хэрэглээнээс хамаарна.Түлшний эсүүд нь өндөр температур, бага температурт хуваагддаг. Бага температурт түлшний эсүүд нь харьцангуй цэвэр устөрөгчийг түлш болгон шаарддаг.

Энэ нь ихэвчлэн анхдагч түлшийг (байгалийн хий гэх мэт) цэвэр устөрөгч болгон хувиргахын тулд түлш боловсруулах шаардлагатай гэсэн үг юм. Энэ процесс нь нэмэлт эрчим хүч зарцуулж, тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаг. Өндөр температурт түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшийг "дотоод хувиргах" чадвартай тул устөрөгчийн дэд бүтцэд хөрөнгө оруулах шаардлагагүй гэсэн үг юм.

Хайлсан карбонат (MCFC) дээрх түлшний элементүүд.

Хайлсан карбонат электролитийн түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын өндөр температур нь түлшний процессоргүйгээр байгалийн хийг шууд ашиглах, технологийн түлш болон бусад эх үүсвэрээс илчлэг багатай түлшний хийг ашиглах боломжийг олгодог. Энэ үйл явцыг 1960-аад оны дундуур боловсруулсан. Тэр цагаас хойш үйлдвэрлэлийн технологи, гүйцэтгэл, найдвартай байдал сайжирсан.

RCFC-ийн ажиллагаа нь бусад түлшний эсүүдээс ялгаатай. Эдгээр эсүүд нь хайлсан карбонатын давсны холимогоос электролитийг ашигладаг. Одоогийн байдлаар литийн карбонат ба калийн карбонат эсвэл литийн карбонат, натрийн карбонат гэсэн хоёр төрлийн хольцыг ашиглаж байна. Карбонатын давсыг хайлуулж, электролит дахь ионуудын хөдөлгөөнийг өндөр түвшинд хүргэхийн тулд хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсүүд өндөр температурт (650 ° C) ажилладаг. Үр ашиг нь 60-80% хооронд хэлбэлздэг.

650 хэм хүртэл халаахад давс нь карбонатын ионуудын (CO32-) дамжуулагч болдог. Эдгээр ионууд нь катодоос анод руу шилжиж устөрөгчтэй нийлж ус, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, чөлөөт электрон үүсгэдэг. Эдгээр электронууд нь гадны цахилгаан хэлхээгээр буцаж катод руу илгээгдэж, цахилгаан гүйдэл, дулааныг дагалдах бүтээгдэхүүн болгон үүсгэдэг.

Анодын урвал: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Катод дахь урвал: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Ерөнхий элементийн урвал: H2(g) + 1/2O2(г) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Электролит дахь урвалын өндөр температур нь бас давуу талтай. Өндөр температурыг ашиглах нь үйл ажиллагааны оновчтой нөхцөлд хүрэхийн тулд удаан хугацаа шаарддаг бөгөөд систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд илүү удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Эдгээр шинж чанарууд нь хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсийн системийг тогтмол эрчим хүчний нөхцөлд ашиглах боломжийг олгодог. Өндөр температур нь нүүрстөрөгчийн дутуу исэл, "хордлого" гэх мэт түлшний эсийг гэмтээхээс сэргийлдэг.

Хайлсан карбонат түлшний эсүүд нь том суурин суурилуулалтанд ашиглахад тохиромжтой. 2.8 МВт хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.

Фосфорын хүчил (PFC) дээр суурилсан түлшний эсүүд.

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд нь арилжааны зориулалттай анхны түлшний эсүүд байв. Энэ процессыг 1960-аад оны дундуур боловсруулж, 1970-аад оноос туршсан. Түүнээс хойш тогтвортой байдал, гүйцэтгэл, өртөг нэмэгдсэн.

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд нь 100% хүртэл концентрацитай ортофосфорын хүчил (H3PO4) дээр суурилсан электролитийг ашигладаг. Фосфорын хүчлийн ионы дамжуулалт бага температурт бага байдаг тул эдгээр түлшний эсийг 150-220 ° C хүртэл температурт ашигладаг.

Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь устөрөгч (H+, протон) юм. Үүнтэй төстэй үйл явц нь протон солилцооны мембран түлшний эсүүдэд (MEFCs) явагддаг бөгөөд анод руу нийлүүлсэн устөрөгч нь протон ба электронуудад хуваагддаг. Протонууд электролитээр дамжин катодын агаараас хүчилтөрөгчтэй нийлж ус үүсгэдэг. Электронууд нь гадаад цахилгаан хэлхээний дагуу чиглэгдэж, цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Цахилгаан ба дулааныг үүсгэдэг урвалуудыг доор харуулав.

Анодын урвал: 2H2 => 4H+ + 4e-
Катод дахь урвал: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Ерөнхий элементийн урвал: 2H2 + O2 => 2H2O

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд дээр дулааны цахилгаан станцууд нь дулаан, цахилгаан хосолсон үйлдвэрлэлд өндөр үзүүлэлттэй байдаг нь энэ төрлийн түлшний эсийн нэг давуу тал юм. Уг үйлдвэрүүд нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг ойролцоогоор 1.5% -ийн концентрацид ашигладаг бөгөөд энэ нь түлшний сонголтыг ихээхэн өргөжүүлдэг. Үүнээс гадна CO2 нь электролит болон түлшний эсийн үйл ажиллагаанд нөлөөлдөггүй, энэ төрлийн эсүүд нь шинэчлэгдсэн байгалийн түлшээр ажилладаг. Энгийн хийц, бага электролитийн тогтворгүй байдал, тогтвортой байдал нь энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал юм.

400 кВт хүртэл хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 11 МВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалтууд холбогдох туршилтыг давсан. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.

Протон солилцооны мембран (PME) бүхий түлшний эсүүд

Протон солилцооны мембран түлшний эсүүд нь бензин болон дизель дотоод шаталтат хөдөлгүүрийг орлож чадах тээврийн хэрэгслийн эрчим хүч үйлдвэрлэх хамгийн сайн төрлийн түлшний эс гэж тооцогддог. Эдгээр түлшний эсийг НАСА анх Gemini хөтөлбөрт ашигласан. Өнөөдөр MOPFC дээр 1 Вт-аас 2 кВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалтыг боловсруулж, үзүүлж байна.

Эдгээр түлшний эсүүд нь хатуу полимер мембраныг (нимгэн хуванцар хальс) электролит болгон ашигладаг. Усанд шингэсэн үед энэ полимер протоныг дамжуулдаг боловч электрон дамжуулдаггүй.

Түлш нь устөрөгч, цэнэглэгч нь устөрөгчийн ион (протон) юм. Анод дээр устөрөгчийн молекул нь устөрөгчийн ион (протон) ба электронуудад хуваагддаг. Устөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин катод руу ордог бол электронууд нь гаднах тойргийг тойрон хөдөлж, цахилгаан энерги үүсгэдэг. Агаараас авсан хүчилтөрөгч нь катод руу орж электрон болон устөрөгчийн ионуудтай нийлж ус үүсгэдэг. Электродууд дээр дараах урвал явагдана.

Анодын урвал: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Катод дахь урвал: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Ерөнхий элементийн урвал: 2H2 + O2 => 2H2O

Бусад төрлийн түлшний эсүүдтэй харьцуулахад протон солилцооны мембран түлшний эсүүд нь тухайн түлшний эсийн эзэлхүүн эсвэл жинд илүү их хүч үйлдвэрлэдэг. Энэ онцлог нь тэдгээрийг авсаархан, хөнгөн жинтэй болгох боломжийг олгодог. Үүнээс гадна, үйл ажиллагааны температур нь 100 ° C-аас бага бөгөөд энэ нь үйл ажиллагааг хурдан эхлүүлэх боломжийг олгодог. Эдгээр шинж чанарууд, мөн эрчим хүчний гаралтыг хурдан өөрчлөх чадвар нь эдгээр түлшний эсийг тээврийн хэрэгсэлд ашиглахад гол нэр дэвшигч болгодог шинж чанаруудын зөвхөн нэг хэсэг юм.

Өөр нэг давуу тал нь электролит нь шингэн биш харин хатуу бодис юм. Катод ба анод дахь хийнүүдийг хадгалах нь хатуу электролитийн хувьд илүү хялбар байдаг тул ийм түлшний эсийг үйлдвэрлэхэд хямд байдаг. Бусад электролитүүдтэй харьцуулахад хатуу электролитийн хэрэглээ нь чиг баримжаа зэрэг асуудал үүсгэдэггүй, зэврэлт үүсэхээс болж бага асуудал гардаг бөгөөд энэ нь эсийн болон түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн эдэлгээний хугацааг уртасгахад хүргэдэг.

Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC)

Хатуу исэл түлшний эсүүд нь хамгийн өндөр ажиллах температуртай түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын температур нь 600 ° C-аас 1000 ° C-ийн хооронд хэлбэлзэж болох бөгөөд энэ нь янз бүрийн төрлийн түлшийг тусгай урьдчилсан боловсруулалтгүйгээр ашиглах боломжийг олгодог. Эдгээр өндөр температурыг зохицуулахын тулд электролит нь нимгэн керамик суурьтай хатуу металлын исэл, ихэвчлэн хүчилтөрөгч (O2-) ионыг дамжуулагч иттри ба цирконы хайлш юм. Хатуу исэл түлшний эсийг ашиглах технологи 1950-иад оны сүүлээс хөгжиж ирсэн. хавтгай ба хоолой гэсэн хоёр тохиргоотой.

Хатуу электролит нь нэг электродоос нөгөөд шилжих шилжилтийг хангадаг бол шингэн электролит нь сүвэрхэг субстрат дотор байрладаг. Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь хүчилтөрөгчийн ион (О2-) юм. Катодын үед хүчилтөрөгчийн молекулууд агаараас хүчилтөрөгчийн ион ба дөрвөн электрон болж хуваагддаг. Хүчилтөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин устөрөгчтэй нийлж дөрвөн чөлөөт электрон үүсгэдэг. Электронууд нь гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжуулж, цахилгаан гүйдэл, хаягдал дулааныг үүсгэдэг.

Анодын урвал: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Катод дахь урвал: O2 + 4e- => 2O2-
Ерөнхий элементийн урвал: 2H2 + O2 => 2H2O

Үйлдвэрлэсэн цахилгаан эрчим хүчний үр ашиг нь бүх түлшний эсүүдээс хамгийн өндөр буюу 60% орчим байдаг. Үүнээс гадна ажлын өндөр температур нь өндөр даралтын уурыг бий болгохын тулд дулаан, эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Өндөр температурт түлшний эсийг турбинтай хослуулснаар цахилгаан эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашгийг 70% хүртэл нэмэгдүүлэхийн тулд эрлийз түлшний эсийг бий болгодог.

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсүүд (DOMTE)

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсийн бүтэц нь протон солилцооны мембран (MOFEC) бүхий түлшний эсүүдтэй төстэй, i.e. полимерийг электролит болгон, устөрөгчийн ионыг (протон) цэнэг зөөгч болгон ашигладаг. Гэсэн хэдий ч шингэн метанол (CH3OH) нь анод дахь усны дэргэд исэлдэж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр удирддаг СО2, устөрөгчийн ион, электронуудыг ялгаруулж, цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Устөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин агаараас хүчилтөрөгч, гадаад хэлхээний электронуудтай урвалд орж анод дээр ус үүсгэдэг.

Анодын урвал: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Катод дахь урвал: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Ерөнхий элементийн урвал: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Эдгээр түлшний эсүүдийн хөгжил 1990-ээд оны эхээр эхэлсэн. Сайжруулсан катализаторыг хөгжүүлсний дараа болон бусад сүүлийн үеийн шинэчлэлийн ачаар эрчим хүчний нягтрал, үр ашгийг 40% хүртэл нэмэгдүүлсэн.

Эдгээр элементүүдийг 50-120 хэмийн температурт туршсан. Ашиглалтын температур багатай, хувиргагч шаардлагагүй тул шууд метанол түлшний эсүүд нь гар утас болон бусад өргөн хэрэглээний бүтээгдэхүүнээс эхлээд автомашины хөдөлгүүр хүртэлх хэрэглээнд хамгийн сайн нэр дэвшигч юм. Энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал нь шингэн түлшний хэрэглээ, хөрвүүлэгч ашиглах шаардлагагүйгээс шалтгаалан жижиг хэмжээтэй байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд (AFC)

Шүлтлэг түлшний эсүүд (ALFCs) нь хамгийн их судлагдсан технологийн нэг бөгөөд 1960-аад оны дунд үеэс ашиглагдаж ирсэн. НАСА-аас Apollo болон Space Shuttle хөтөлбөрүүдэд. Эдгээрийн тавцан дээр сансрын хөлөгтүлшний эсүүд нь цахилгаан болон ус уух. Шүлтлэг түлшний эсүүд нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг хамгийн үр ашигтай элементүүдийн нэг бөгөөд эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашиг нь 70% хүртэл байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд нь электролит, өөрөөр хэлбэл сүвэрхэг, тогтворжсон матрицад агуулагдах калийн гидроксидын усан уусмалыг ашигладаг. Калийн гидроксидын концентраци нь түлшний эсийн ажиллах температураас хамаарч өөр өөр байж болно, энэ нь 65 ° C-аас 220 ° C хооронд хэлбэлздэг. SFC-ийн цэнэг зөөгч нь катодоос анод руу шилжих гидроксидын ион (OH-) бөгөөд устөрөгчтэй урвалд орж ус, электрон үүсгэдэг. Анод дээр үүссэн ус дахин катод руу шилжиж, тэнд дахин гидроксидын ион үүсгэдэг. Түлшний эсэд явагдаж буй эдгээр цуврал урвалын үр дүнд цахилгаан үүсэж, дулааны дагалдах бүтээгдэхүүн болж:

Анодын урвал: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Катод дахь урвал: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Системийн ерөнхий урвал: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC-ийн давуу тал нь эдгээр түлшний эсийг үйлдвэрлэхэд хамгийн хямд байдаг, учир нь электродуудад шаардлагатай катализатор нь бусад түлшний эсүүдэд катализатор болгон ашигладаг бодисуудаас хямд байдаг. Нэмж дурдахад, SCFC нь харьцангуй бага температурт ажилладаг бөгөөд хамгийн үр ашигтай түлшний эсүүдийн нэг юм - ийм шинж чанарууд нь эрчим хүчийг хурдан үйлдвэрлэх, түлшний үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг.

SFC-ийн нэг онцлог шинж чанар нь түлш эсвэл агаарт агуулагдах CO2-д өндөр мэдрэмжтэй байдаг. CO2 нь электролиттэй урвалд орж, түүнийг хурдан хордуулж, түлшний эсийн үр ашгийг ихээхэн бууруулдаг. Тиймээс SFC-ийн хэрэглээ нь сансрын болон усан доорх тээврийн хэрэгсэл гэх мэт хаалттай орон зайд хязгаарлагддаг тул цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч дээр ажиллах ёстой. Түүгээр ч зогсохгүй бусад түлшний эсүүдэд аюулгүй байдаг CO, H2O, CH4 зэрэг молекулууд, тэр ч байтугай тэдгээрийн заримд нь түлш нь SFC-д хортой байдаг.

Полимер электролит түлшний эсүүд (PETE)

Полимер электролитийн түлшний эсийн хувьд полимер мембран нь усны молекулд усны H2O+ (протон, улаан) ионуудын дамжуулалт бэхлэгдсэн усны бүс бүхий полимер утаснаас бүрдэнэ. Усны молекулууд ионы солилцоо удаашралтай тул асуудал үүсгэдэг. Тиймээс түлшний болон яндангийн электродуудын аль алинд нь усны өндөр агууламж шаардагдах бөгөөд энэ нь ажлын температурыг 100 ° C хүртэл хязгаарладаг.

Хатуу хүчил түлшний эсүүд (SCFC)

Хатуу хүчлийн түлшний эсүүдэд электролит (CsHSO4) нь ус агуулдаггүй. Тиймээс ажлын температур 100-300 ° C байна. SO42-окси анионуудын эргэлт нь зурагт үзүүлсэн шиг протонуудыг (улаан) хөдөлгөх боломжийг олгодог.

Ерөнхийдөө хатуу хүчиллэг түлшний эс нь хатуу хүчиллэг нэгдлийн маш нимгэн давхаргыг хоёр нягт шахсан электродын хооронд хавчуулж, сайн холбоо барихыг баталгаажуулдаг сэндвич юм. Халах үед органик бүрэлдэхүүн хэсэг нь ууршиж, электродын нүх сүвээр дамжин түлш (эсвэл эсийн нөгөө үзүүрт хүчилтөрөгч), электролит ба электродуудын хооронд олон тооны холбоо барих чадварыг хадгалж үлддэг.

Түлшний эсийн төрөл	Ажлын температур	Эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашиг	Шатахууны төрөл	Хэрэглээний талбар
РКТЭ	550-700 ° C	50-70%		Дунд болон том хэмжээний суурилуулалт
FKTE	100-220 ° C	35-40%	цэвэр устөрөгч	Том хэмжээний суурилуулалт
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	Ихэнх нүүрсустөрөгчийн түлш	Жижиг, дунд, том суурилуулалт
POMTE	20-90 ° C	20-30%	метанол	Зөөврийн нэгжүүд
SHTE	50-200 ° C	40-65%	цэвэр устөрөгч	сансрын судалгаа
ПИТ	30-100 ° C	35-50%	цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт

хаягаар бидэнтэй нэгдээрэй

АНУ устөрөгчийн түлшний эсүүд, 2020 он гэхэд түлшний эсийн тээврийн хэрэгслийг практик, хэмнэлттэй болгох дэд бүтэц, технологийг хөгжүүлэх хэд хэдэн санаачилга гаргасан. Эдгээр зорилгоор нэг тэрбум гаруй доллар хуваарилсан.

Түлшний эсүүд нь хүрээлэн буй орчныг бохирдуулахгүйгээр чимээгүй, үр ашигтайгаар цахилгаан үүсгэдэг. Шатахууны эрчим хүчний эх үүсвэрээс ялгаатай нь түлшний эсийн дайвар бүтээгдэхүүн нь дулаан, ус юм. Хэрхэн ажилладаг?

Энэ нийтлэлд бид одоо байгаа түлшний технологи тус бүрийг товчхон авч үзэхээс гадна түлшний эсийн дизайн, ашиглалтын талаар ярилцаж, эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн бусад хэлбэрүүдтэй харьцуулах болно. Мөн бид түлшний эсийг хэрэглэгчдэд практик, боломжийн үнэтэй болгоход судлаачдад тулгарч буй зарим саад бэрхшээлийн талаар ярилцах болно.

Түлшний эсүүд нь цахилгаан химийн энерги хувиргах төхөөрөмж. Түлшний эс нь химийн бодис, устөрөгч, хүчилтөрөгчийг ус болгон хувиргаж, цахилгаан үүсгэдэг.

Бидний сайн мэддэг өөр нэг цахилгаан химийн төхөөрөмж бол зай юм. Батерей нь шаардлагатай бүх зүйлтэй химийн элементүүддотор нь эдгээр бодисыг цахилгаан болгон хувиргадаг. Энэ нь батерейг эцэст нь "үхэх" бөгөөд та үүнийг хаях эсвэл дахин цэнэглэнэ гэсэн үг юм.

Түлшний эсэд химийн бодис байнга орж ирдэг тул хэзээ ч "үхдэггүй". Урсгалтай л бол цахилгаан үйлдвэрлэнэ химийн бодисуудэлемент рүү. Өнөөдөр ашиглагдаж буй ихэнх түлшний эсүүд устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг ашигладаг.

Устөрөгч бол манай галактикийн хамгийн элбэг байдаг элемент юм. Гэсэн хэдий ч устөрөгч нь дэлхий дээр элемент хэлбэрээр бараг байдаггүй. Инженер, эрдэмтэд устөрөгчийн нэгдлээс, тэр дундаа чулуужсан түлш эсвэл уснаас цэвэр устөрөгч гаргаж авах ёстой. Эдгээр нэгдлүүдээс устөрөгчийг гаргаж авахын тулд та дулаан эсвэл цахилгаан хэлбэрээр эрчим хүч зарцуулах хэрэгтэй.

Түлшний эсийн шинэ бүтээл

Сэр Уильям Гроув 1839 онд анхны түлшний эсийг зохион бүтээжээ. Гроув усыг цахилгаан гүйдэл дамжуулснаар устөрөгч, хүчилтөрөгч болон хуваагдаж болно гэдгийг мэдэж байсан (энэ процессыг электролиз). Урвуу дарааллаар цахилгаан, ус авч болно гэж тэр санал болгов. Тэрээр анхдагч түлшний эсийг бүтээж, нэрлэсэн хийн гальваник батерей. Гроув шинэ бүтээлээ туршиж үзсэнийхээ дараа өөрийн таамаглалыг баталжээ. Тавин жилийн дараа эрдэмтэд Людвиг Монд, Чарльз Лангер нар энэ нэр томъёог гаргажээ түлшний эсүүдэрчим хүч үйлдвэрлэх практик загварыг бий болгохыг оролдох үед.

Түлшний эс нь хотын цахилгаан станцуудын хийн турбин, автомашины дотоод шаталтат хөдөлгүүр, бүх төрлийн батерей зэрэг бусад олон эрчим хүч хувиргах төхөөрөмжтэй өрсөлдөх болно. Хийн турбин гэх мэт дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд шатдаг янз бүрийн төрөлтүлш болон хийн тэлэлтээс үүссэн даралтыг механик ажил гүйцэтгэхэд ашиглана. Батерей нь шаардлагатай үед химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Түлшний эсүүд эдгээр ажлыг илүү үр дүнтэй гүйцэтгэх хэрэгтэй.

Түлшний элемент нь цахилгаан мотор, гэрэлтүүлэг болон бусад цахилгаан хэрэгслийг тэжээхэд ашиглаж болох DC (шууд гүйдэл) хүчдэлийг хангадаг.

Хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд байдаг бөгөөд тус бүр нь өөр өөр химийн процессыг ашигладаг. Түлшний эсийг ихэвчлэн тэдгээрийн дагуу ангилдаг Үйлдлийн температурболон төрөлэлектролит,тэдний ашигладаг. Зарим төрлийн түлшний эсүүд нь суурин цахилгаан станцуудад ашиглахад тохиромжтой. Бусад нь жижиг зөөврийн төхөөрөмж эсвэл машиныг тэжээхэд хэрэгтэй байж болно. Түлшний эсийн үндсэн төрлүүд нь:

Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC)

PEMFC нь тээврийн програмд хамгийн магадлалтай нэр дэвшигч гэж тооцогддог. PEMFC нь өндөр хүчин чадалтай, харьцангуй бага ажиллах температуртай (60-аас 80 градусын температурт). Ашиглалтын температур бага байгаа нь түлшний эсүүд хурдан дулаарч цахилгаан үүсгэж эхэлдэг гэсэн үг юм.

Хатуу исэл түлшний эс (SOFC)

Эдгээр түлшний эсүүд нь үйлдвэр, хотыг цахилгаан эрчим хүчээр хангах боломжтой том суурин цахилгаан үүсгүүрт хамгийн тохиромжтой. Энэ төрлийн түлшний эс нь маш өндөр температурт (700-аас 1000 хэм хүртэл) ажилладаг. Өндөр температур нь найдвартай байдлын асуудал юм, учир нь зарим түлшний эсүүд асаах, унтраах хэд хэдэн мөчлөгийн дараа бүтэлгүйтдэг. Гэсэн хэдий ч хатуу исэл түлшний эсүүд тасралтгүй ажиллахад маш тогтвортой байдаг. Үнэн хэрэгтээ, SOFCs нь тодорхой нөхцөлд ямар ч түлшний эсийн хамгийн урт ашиглалтын хугацааг харуулсан. Өндөр температур нь түлшний эсүүдээс үүссэн уурыг турбин руу чиглүүлж, илүү их цахилгаан үйлдвэрлэх давуу талтай юм. Энэ процессыг нэрлэдэг дулаан, цахилгааныг нэгтгэхмөн системийн ерөнхий үр ашгийг дээшлүүлдэг.

Шүлтлэг түлшний эс (AFC)

Энэ нь 1960-аад оноос хойш ашигласан түлшний эсийн хамгийн эртний загваруудын нэг юм. AFC нь цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч шаарддаг тул бохирдолд маш мэдрэмтгий байдаг. Үүнээс гадна тэдгээр нь маш үнэтэй тул ийм төрлийн түлшний эсийг бөөнөөр үйлдвэрлэх магадлал багатай юм.

Хайлсан карбонат түлшний эс (MCFC)

SOFC-ийн нэгэн адил эдгээр түлшний эсүүд нь том суурин цахилгаан станц, генераторуудад хамгийн тохиромжтой. Тэд Цельсийн 600 градусын температурт ажилладаг тул уур үүсгэж, улмаар илүү их эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглаж болно. Тэд хатуу исэл түлшний эсээс бага ажиллах температуртай байдаг тул ийм халуунд тэсвэртэй материал хэрэггүй гэсэн үг юм. Энэ нь тэднийг бага зэрэг хямд болгодог.

Фосфорын хүчлийн түлшний эс (PAFC)

Фосфорын хүчлийн түлшний эсбага оврын суурин эрчим хүчний системд ашиглах боломжтой. Энэ нь полимер солилцооны мембран түлшний эсээс өндөр температурт ажилладаг тул халаахад удаан хугацаа шаардагдах тул автомашины хэрэглээнд тохиромжгүй болгодог.

Метанол түлшний эсүүд Шууд метанол түлшний эсүүд (DMFC)

Метанолын түлшний эсүүд нь үйл ажиллагааны температурын хувьд PEMFC-тэй харьцуулах боломжтой боловч үр ашигтай байдаггүй. Нэмж дурдахад, DMFC нь катализаторын хувьд маш их цагаан алт шаарддаг бөгөөд энэ нь эдгээр түлшний эсүүдийг үнэтэй болгодог.

Полимер солилцооны мембран бүхий түлшний эс

Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC) нь түлшний эсийн хамгийн ирээдүйтэй технологийн нэг юм. PEMFC нь аливаа түлшний эсийн хамгийн энгийн урвалуудын нэгийг ашигладаг. Энэ нь юунаас бүрддэгийг анхаарч үзээрэй.

1. ГЭХДЭЭ зангилаа – Түлшний эсийн сөрөг терминал. Энэ нь устөрөгчийн молекулуудаас ялгардаг электронуудыг дамжуулдаг бөгөөд үүний дараа тэдгээрийг гадаад хэлхээнд ашиглаж болно. Энэ нь катализаторын гадаргуу дээр устөрөгчийн хий жигд тархдаг суваг бүхий сийлбэртэй байдаг.

2.руу атом - түлшний эсийн эерэг терминал нь катализаторын гадаргуу дээр хүчилтөрөгчийг түгээх сувагтай байдаг. Энэ нь мөн катализаторын гаднах гинжин хэлхээнээс электронуудыг буцааж дамжуулдаг бөгөөд тэдгээр нь устөрөгч болон хүчилтөрөгчийн ионуудтай нэгдэж ус үүсгэдэг.

3.Электролит-протон солилцооны мембран. Энэ нь зөвхөн эерэг цэнэгтэй ионуудыг дамжуулж, электронуудыг блоклодог тусгайлан боловсруулсан материал юм. PEMFC-д мембран нь хэвийн ажиллаж, тогтвортой байхын тулд чийгшүүлсэн байх ёстой.

4. Катализаторхүчилтөрөгч ба устөрөгчийн урвалыг дэмждэг тусгай материал юм. Энэ нь ихэвчлэн нүүрстөрөгчийн цаас эсвэл даавуунд маш нимгэн хуримтлагдсан цагаан алтны нано хэсгүүдээр хийгдсэн байдаг. Катализатор нь гадаргуугийн бүтэцтэй бөгөөд цагаан алтны гадаргуугийн хамгийн их талбай нь устөрөгч эсвэл хүчилтөрөгчийн нөлөөнд автдаг.

Зурагт устөрөгчийн хий (H2) даралт дор анод талаас түлшний элемент рүү орж байгааг харуулж байна. H2 молекул нь катализатор дээр цагаан алттай хүрэлцэх үед хоёр H+ ион, хоёр электрон болон хуваагдана. Электронууд нь гадаад хэлхээнд ашиглагддаг анодоор дамждаг (гүйцэтгэнэ ашигтай ажил, моторын эргэлт гэх мэт) ба түлшний элементийн катодын тал руу буцна.

Үүний зэрэгцээ түлшний эсийн катодын тал дээр агаараас хүчилтөрөгч (O2) нь катализатороор дамжин хоёр хүчилтөрөгчийн атом үүсгэдэг. Эдгээр атом бүр хүчтэй сөрөг цэнэгтэй байдаг. Энэ сөрөг цэнэг нь мембраны дундуур хоёр H+ ионыг татаж, хүчилтөрөгчийн атом болон гадаад хэлхээний хоёр электронтой нийлж усны молекул (H2O) үүсгэдэг.

Нэг түлшний эс дэх энэхүү урвал нь зөвхөн ойролцоогоор 0.7 вольт үүсгэдэг. Хүчдэлийг боломжийн түвшинд хүргэхийн тулд олон бие даасан түлшний эсийг нэгтгэж, түлшний эсийн яндан үүсгэх шаардлагатай. Хоёр туйлт ялтсууд нь нэг түлшний эсийг нөгөөд холбоход хэрэглэгддэг ба потенциал буурах исэлдэлтэнд ордог. Хоёр туйлт ялтсуудын хамгийн том асуудал бол тэдний тогтвортой байдал юм. Металл хоёр туйлт хавтанг зэврүүлж, дайвар бүтээгдэхүүн (төмөр ба хромын ионууд) нь түлшний эсийн мембран, электродын үр ашгийг бууруулдаг. Тиймээс бага температурт түлшний эсүүд нь хөнгөн металл, бал чулуу, нүүрстөрөгчийн нийлмэл нэгдлүүд болон термостат (термостат материал нь өндөр температурт тэсвэртэй байсан ч гэсэн нэг төрлийн хуванцар юм) хоёр туйлт хуудас материал хэлбэрээр ашигладаг.

Түлшний эсийн үр ашиг

Бохирдлыг бууруулах нь түлшний эсийн гол зорилтуудын нэг юм. Түлшний эсээр ажилладаг машиныг бензин хөдөлгүүрээр ажилладаг машин, батерейгаар ажилладаг машинтай харьцуулж үзвэл түлшний эсүүд машины үр ашгийг хэрхэн сайжруулж болохыг харж болно.

Гурван төрлийн машин бүгд ижил бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй тул бид машины энэ хэсгийг үл тоомсорлож, харьцуулах болно ашигтай үйлдлүүдмеханик энерги үүсэх цэг хүртэл. Түлшний эсийн машинаас эхэлье.

Хэрэв түлшний эс нь цэвэр устөрөгчөөр ажилладаг бол түүний үр ашиг 80 хүртэл хувьтай байдаг. Ийнхүү устөрөгчийн энергийн 80 хувийг цахилгаан болгон хувиргадаг. Гэсэн хэдий ч бид цахилгаан эрчим хүчийг механик ажил болгон хувиргах шаардлагатай хэвээр байна. Энэ нь цахилгаан мотор болон инвертерийн тусламжтайгаар хийгддэг. Мотор + инвертерийн үр ашиг мөн ойролцоогоор 80 хувь байна. Энэ нь ойролцоогоор 80*80/100=64 хувийн ерөнхий үр ашгийг өгдөг. Honda-ийн FCX концепцийн машин нь 60 хувийн эрчим хүчний хэмнэлттэй байдаг.

Хэрэв түлшний эх үүсвэр нь цэвэр устөрөгч биш бол тээврийн хэрэгсэлд мөн шинэчлэгч хэрэгтэй болно. Шинэчлэгч нар нүүрсустөрөгч буюу спиртийн түлшийг устөрөгч болгон хувиргадаг. Тэд дулааныг үүсгэж, устөрөгчөөс гадна CO, CO2 үүсгэдэг. Үүссэн устөрөгчийг цэвэршүүлэхийн тулд тэд ашигладаг янз бүрийн төхөөрөмж, гэхдээ энэ цэвэрлэгээ хангалтгүй бөгөөд түлшний эсийн үр ашгийг бууруулдаг. Тиймээс судлаачид устөрөгчийг үйлдвэрлэх, хадгалахтай холбоотой асуудлуудыг үл харгалзан цэвэр устөрөгчөөр ажилладаг тээврийн хэрэгслийн түлшний эсүүдэд анхаарлаа хандуулахаар шийджээ.

Бензин хөдөлгүүр ба автомашины цахилгаан батерейны үр ашиг

Бензинээр ажилладаг машины үр ашиг нь гайхалтай бага байдаг. Яндангаар гадагшилдаг эсвэл радиаторт шингэсэн бүх дулаан нь дэмий үрсэн энерги юм. Хөдөлгүүр нь янз бүрийн насос, сэнс, генераторуудыг эргүүлэхэд маш их энерги зарцуулдаг. Тиймээс автомашины бензин хөдөлгүүрийн нийт үр ашиг ойролцоогоор 20 хувь байна. Ийнхүү бензиний дулааны энергийн ердөө 20 орчим хувь нь механик ажил болж хувирдаг.

Зайгаар ажилладаг цахилгаан машин нь нэлээд өндөр үр ашигтай байдаг. Батерей нь ойролцоогоор 90 хувийн үр ашигтай (ихэнх батерей нь бага зэрэг дулаан үүсгэдэг эсвэл халаалт шаарддаг), мотор + инвертер нь ойролцоогоор 80 хувийн үр ашигтай байдаг. Энэ нь ойролцоогоор 72 хувийн үр ашгийг өгдөг.

Гэхдээ энэ нь бүгд биш юм. Цахилгаан машиныг хөдөлгөхийн тулд эхлээд хаа нэгтээ цахилгаан үйлдвэрлэх ёстой. Хэрэв энэ нь чулуужсан түлшний шаталтын процессыг ашигласан цахилгаан станц байсан бол (цөм, усан цахилгаан, нар, салхины эрчим хүч гэхээсээ илүү) цахилгаан станцын хэрэглэж буй түлшний дөнгөж 40 орчим хувийг цахилгаан болгон хувиргасан. Түүнчлэн, машиныг цэнэглэх үйл явц нь хувьсах гүйдлийн хүчийг тогтмол гүйдлийн (DC) хүч болгон хувиргах шаардлагатай байдаг. Энэ процесс нь ойролцоогоор 90 хувийн үр ашигтай байдаг.

Одоо бүхэл бүтэн циклийг нь авч үзвэл цахилгаан тээврийн хэрэгслийн үр ашиг нь машин өөрөө 72 хувь, цахилгаан станцад 40 хувь, машиныг цэнэглэхэд 90 хувь байна. Энэ нь нийт 26 хувийн үр ашгийг өгдөг. Батерейг цэнэглэхэд ямар цахилгаан станц ашиглаж байгаагаас хамааран ерөнхий үр ашиг нь ихээхэн ялгаатай байдаг. Хэрэв автомашины цахилгаан эрчим хүчийг жишээлбэл, усан цахилгаан станц үйлдвэрлэдэг бол цахилгаан машины үр ашиг 65 орчим хувь болно.

Эрдэмтэд түлшний эсийн үр ашгийг дээшлүүлэхийн тулд дизайныг судалж, боловсронгуй болгож байна. Шинэ арга замуудын нэг нь түлшний эс болон батарейгаар ажилладаг тээврийн хэрэгслийг хослуулах явдал юм. Түлшний эсээр ажилладаг эрлийз цахилгаан дамжуулах төхөөрөмжөөр ажиллах концепцийн автомашиныг боловсруулж байна. Энэ нь литийн зайг ашиглан машиныг тэжээдэг бол түлшний эс нь зайгаа цэнэглэдэг.

Түлшний эсийн тээврийн хэрэгсэл нь чулуужсан түлшгүй цахилгаан станцаас цэнэглэгддэг батарейгаар ажилладаг машинтай адил үр ашигтай байдаг. Гэхдээ ийм чадавхид хүрэх нь практик болон хүртээмжтэй аргахэцүү байж магадгүй.

Яагаад түлшний эсийг ашигладаг вэ?

Гол шалтгаан нь газрын тостой холбоотой бүх зүйл. Америк нефтийнхээ бараг 60 хувийг импортлох ёстой. 2025 он гэхэд импорт 68 хувьд хүрэх төлөвтэй байна. Америкчууд өдөр бүр газрын тосныхоо гуравны хоёрыг тээвэрлэхэд ашигладаг. Гудамжинд байгаа машин бүр эрлийз машин байсан ч 2025 он гэхэд АНУ 2000 онд америкчуудын хэрэглэж байсан хэмжээний тосыг хэрэглэх ёстой. Үнэхээр Америк дэлхийн нийт нефтийн дөрөвний нэгийг хэрэглэдэг ч дэлхийн хүн амын дөнгөж 4.6 хувь нь энд амьдардаг.

Хямдхан эх үүсвэрүүд шавхагдаж байгаа тул ойрын хэдэн арван жилд нефтийн үнэ өссөөр байна гэж шинжээчид үзэж байна. Газрын тосны компаниудхөгжих ёстой газрын тосны талбайнуудулам хүндэрсэн нөхцөлд газрын тосны үнэ өсөхөд хүргэж байна.

Айдас нь илүү хол байдаг эдийн засгийн аюулгүй байдал. Газрын тосны борлуулалтаас олсон орлогын ихээхэн хэсгийг олон улсын терроризм, радикал улс төрийн намууд, газрын тос олборлогч бүс нутгийн тогтворгүй байдлыг дэмжихэд зарцуулдаг.

Газрын тос болон бусад чулуужсан түлшийг эрчим хүч болгон ашиглах нь бохирдол үүсгэдэг. Хүн бүр өөр хувилбарыг хайж олох нь хамгийн сайн арга юм - эрчим хүчний зориулалтаар чулуужсан түлш шатаах.

Түлшний эсүүд нь газрын тосны хамаарлаас илүү сонирхолтой хувилбар юм. Түлшний эсүүд нь бохирдуулахын оронд дайвар бүтээгдэхүүн болох цэвэр усыг үйлдвэрлэдэг. Инженерүүд бензин, байгалийн хий зэрэг янз бүрийн чулуужсан эх үүсвэрээс устөрөгч гаргахад түр зуур анхаарлаа хандуулж байгаа ч ирээдүйд устөрөгч үйлдвэрлэх сэргээгдэх, байгаль орчинд ээлтэй аргуудыг судалж байна. Хамгийн ирээдүйтэй нь мэдээж уснаас устөрөгч авах үйл явц байх болно.

Газрын тосны хамаарал, дэлхийн дулаарал нь олон улсын асуудал болоод байна. Түлшний эсийн технологийн судалгаа, хөгжүүлэлтийн хөгжилд хэд хэдэн улс хамтран оролцож байна.

Түлшний эсийг өөр хувилбар болгохоос өмнө эрдэмтэд, үйлдвэрлэгчид маш их ажил хийх ёстой нь ойлгомжтой. орчин үеийн аргуудэрчим хүчний үйлдвэрлэл. Гэсэн хэдий ч дэлхий нийт, дэлхийн хамтын ажиллагааны дэмжлэгтэйгээр түлшний эсэд суурилсан эрчим хүчний систем нь хэдэн арван жилийн дараа бодит байдал болж чадна.

ХОНХ

Түлшний эс/эсийн хөгжлийн түүх

Түлшний эсүүд / эсүүд хэрхэн ажилладаг

Түлшний эс/эсийн төрөл ба төрөл зүйл

Хайлсан карбонат дээрх түлшний эсүүд (MCFC)

Фосфорын хүчил (PFC) дээр суурилсан түлшний эсүүд

Хатуу исэл түлшний эсүүд/эсүүд (SOFC)

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсүүд (DOMTE)

Шүлтлэг түлшний эсүүд (AFC)

Полимер электролитийн түлшний эсүүд (PETE)

Хатуу хүчил түлшний эсүүд (SCFC)

Төрөл бүрийн түлшний эсийн модулиуд. түлшний эсийн зай

Түлшний эсийн төрөл, сортын харьцуулсан шинжилгээ

Түлшний эс/эсийн хэрэглээ

Харилцаа холбооны системд түлшний эсийг ашиглах

Харилцаа холбооны сүлжээнд түлшний эс / эсийг ашиглах

Мэдээллийн сүлжээнд түлшний эс/эсийг ашиглах

Түлшний эсүүд/эсүүдийг хамгаалалтын системд ашиглах

Түлшний эс/эсийг ахуйн халаалт, эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглах

Түгээх сүлжээнд түлшний эсүүд / эсүүдийг ашиглах

Хүрээлэн буй орчныг хамгаалахын тулд түлшний эсийг ашиглах - Холбогдох газрын тосны хийн ашиглалт

Хими нь цахилгаан эрчим хүчний эх үүсвэр

Цэнэглэдэг

Хатуу электролит

Устөрөгчийн түлшний эсүүд

Түлшний эсийн үр ашиг

Альтернатив цахилгаан химийн хадгалалт

* * *

Түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим

Түлшний эсийн шинэ бүтээл

Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC)

Хатуу исэл түлшний эс (SOFC)

Шүлтлэг түлшний эс (AFC)

Хайлсан карбонат түлшний эс (MCFC)

Фосфорын хүчлийн түлшний эс (PAFC)

Полимер солилцооны мембран бүхий түлшний эс

Түлшний эсийн үр ашиг

Бензин хөдөлгүүр ба автомашины цахилгаан батерейны үр ашиг

Яагаад түлшний эсийг ашигладаг вэ?

Мөн уншина уу

Сайн цалинтай ажил хаанаас олох вэ: Беларусь дахь хамгийн өндөр цалинтай ажлын байр Беларусь дахь ажлын зар

Их Британи дахь ажил, ажил эрхлэлт

Зөвлөмжийн захидал хэрхэн бичих вэ

ХОНХ